UNIVERSIDAD VERACRUZANA

UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA
REGION POZA RICA.TUXPAM
TEMA:
“DESCRIPCIÓN DE LINEAS DE TRANSMISION SUBTERRANEA
DE 115 KV A 135 KV.”
TESINA DE LICENCIATURA:
QUE PARA ACREDITAR LA EXPERIENCIA EDUCATIVA
DE
EXPERIENCIA RECEPCIONAL
PRESENTAN:
LUIS JAVIER GARCIA FONSECA
JESUS MANUEL MARIN GONZALEZ
DIRECTOR
ING. DIONICIO RANGEL ORTA
POZA RICA, VERACRUZ 2011
INTRODUCCION
En la actualidad, el futuro a largo plazo de las líneas de transmisión subterráneas
en México todavía es incierto. El aumento debido al calentamiento global orillara a
los países en desarrollo a aumentar su capacidad de generación de Energía
Eléctrica en rangos de 5 a 10 GW debido al consumo eléctrico de sistemas de aire
acondicionado, lo que ha dado como resultado cargas máximas de incrementación
a elevadas temperaturas ambiente. Este aumento crecerá a medida que el
petróleo y el gas natural sean más escasos.
Hoy en día los circuitos subterráneos se usan principalmente en distancias cortas,
tanto en áreas urbanas como suburbanas, para requerimientos especiales como
son cruzamientos de agua, aeropuertos y bajo las autopistas.
En países
desarrollados de Europa tales como Inglaterra, Francia y otros se han instalado
una relativa gran cantidad de instalaciones ocultas, existen anillos subterráneos
alrededor de las ciudades más grandes en los que se tienen líneas de transmisión
de altos voltajes, de donde se alimentan los cables de bajo voltaje que entran en la
ciudad (por ejemplo 66 kv en Londres).
En el desarrollo futuro de sistemas mayores, la generación de energía se puede
concentrar en unidades muy grandes, o en parques remotos (alrededor de 10 GW)
alejados de grandes áreas
urbanas, resultando una necesidad ambiental de
conexiones subterráneas de muy alta capacidad, que vayan desde las plantas de
energía hasta los sistemas de líneas elevadas ubicados a cierta distancia de allí.
En forma inversa, las áreas urbanas y suburbanas serán alimentadas por líneas
subterráneas abastecidas del mayor sistema elevado. Finalmente se podrán usar
ciertos circuitos subterráneos, de 5 a 10 GW de capacidad para distancias de 80
km (50 millas) y más.
También los problemas ambientales de usar líneas elevadas, para los niveles de
voltaje ultra alto que requieran las cargas futuras.
En este trabajo se plantean los factores y ecuaciones a considerar en el cálculo de
líneas de transmisión subterráneas en un rango de 115 kV a 135 kV.
INDICE
INTRODUCCION
CAPITULO I----------------------------------------------------------------------------------------- 1
1.1 JUSTIFICACION------------------------------------------------------------------------------ 2
1.2 NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO--------------------------
4
1.3 ENUNCIACION DEL TEMA---------------------------------------------------------------
5
1.4 EXPLICACION DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO----------------------------
6
CAPITULO II---------------------------------------------------------------------------------------- 8
DESARROLLO DEL TEMA
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE LA INVESTIGACION---------------------
9
MARCO CONTEXTUAL------------------------------------------------------------------------- 10
1.0 ANTECEDENTES---------------------------------------------------------------------------- 11
1.1 Sistemas de Cables Convencionales-------------------------------------------------- 14
1.2 Instalación Subterránea-------------------------------------------------------------------- 23
1.3 Conductores y Fundas---------------------------------------------------------------------- 29
1.4 Conexiones y Terminaciones------------------------------------------------------------- 34
1.5 Comportamiento Eléctrico de los Cables en un Sistema de Energía---------- 48
1.6 Elementos Principales de una Línea de Transmisión Subterránea------------- 56
2.0 TIPOS DE AISLAMIENTO----------------------------------------------------------------- 59
2.1 Aislamiento de Papel Impregnado con Aceite---------------------------------------- 59
2.2 Aislamiento Sintético------------------------------------------------------------------------ 73
2.3 Arborescencias en un Aislamiento Extruido------------------------------------------- 78
2.4 Tensiones en Cables Coaxiales---------------------------------------------------------- 83
2.5 Tiempo de Duración del Aislamiento---------------------------------------------------- 87
2.6 Desarrollo Futuro de los Cables Llenados con Aceite------------------------------ 98
3.0 FUNCIONAMIENTO TERMICO--------------------------------------------------------- 108
3.1 Calculo de la Temperatura y del Flujo de Calor-Ideas Básicas----------------- 110
3.2Resistencia Térmica------------------------------------------------------------------------- 116
3.3 Características del Terreno--------------------------------------------------------------- 123
3.4 Pérdidas--------------------------------------------------------------------------------------- 127
4.0 SISTEMA DE CABLES DE C.A. CONVENCIONALES-------------------------- 131
4.1 Sistemas Autocontenidos----------------------------------------------------------------- 131
4.2 Cables Dieléctricos Extruidos------------------------------------------------------------ 138
4.3 Comparación entre Sistemas de Cables Autocontenidos y Tipo Tubo-------- 142
4.4 Parámetros Eléctricos de los Cables Autocontenidos y Tipo Tubo Llenados con
Aceite------------------------------------------------------------------------------------------------ 144
CAPITULO III-------------------------------------------------------------------------------------- 162
CONCLUSIONES-------------------------------------------------------------------------------- 163
BIBLIOGRAFIA----------------------------------------------------------------------------------- 164
ANEXOS-------------------------------------------------------------------------------------------- 165
ANEXO A------------------------------------------------------------------------------------------- 166
ANEXO B------------------------------------------------------------------------------------------- 169
ANEXO C------------------------------------------------------------------------------------------- 171
DESCRIPCION DE LINEAS DE TRANSMISION SUBTERRANEA DE 115-135 KV
Capítulo I
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1.1 JUSTIFICACION
Actualmente en nuestro país no hay un problema crítico sobre la energía que
motive la investigación y desarrollo de nuevas formas de transmitirla en forma
subterránea. En esta investigación se dan algunas de las bases que sirven para la
instalación y calculo de este tipo de líneas.
En México el uso de líneas subterráneas será una opción para instalar redes de
transmisión eléctrica, conforme el tiempo avanza nuestro país se va desarrollando,
por lo que tiende a incrementar la demanda de energía eléctrica, por el mayor
número de consumidores, nuevas fabricas o industrias, escases de recursos
naturales trayendo como consecuencia el utilizar nuevos conductores que a su vez
traen consigo aumento de contaminación, así como desastres naturales que
afectan las redes y en muchas ocasiones derriban los postes y los conductores
trayendo con esto la instalación de nuevas redes en su totalidad.
Se tendrán estos problemas al usar líneas elevadas para los niveles de voltajes
altos que requerirán las cargas futuras, bien puede ser que al tener limitaciones de
derecho de vía para su instalación y espacios disponibles, se tengan que utilizar
circuitos subterráneos.
Habrá más problemas para transmitir la energía eléctrica a través de grandes
áreas urbanizadas debido a la pérdida progresiva de espacio por la expansión de
las pequeñas ciudades y el crecimiento de la población, tanto para los circuitos
cableados, como para otro tipo de instalación; por ejemplo de gas y agua.
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Con todos estos factores es inminente que en un futuro no muy lejano la mayor
demanda de energía, el crecimiento de nuestro país, la escases de hidrocarburos,
el crecimiento urbano, la limitación de espacio para instalar redes aéreas y el
aumento de la contaminación den como resultado el tomar en cuenta la instalación
de redes de transmisión subterránea para el transporte de la energía eléctrica.
En gran medida este trabajo está dirigido a estudiantes o a lectores que estén
interesados en el tema. Se espera que sirva como introducción útil para quien
haga estudios sobre la transmisión de energía subterránea.
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1.2 NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO
La naturaleza del presente trabajo está dentro de la modalidad de tesina por las
características que presenta.
Sabemos que es frecuente el caso de que una central generadora de energía
eléctrica amplié su potencia instalada, con lo que las líneas existentes pueden ser
no aptas para la nueva potencia que haya que transportar. Conociendo la tensión
nominal, la distancia, el tipo de suelo y el número de conductores por fase,
podemos determinar la potencia característica así como los demás aspectos
eléctricos.
Las características eléctricas importantes en el diseño y la operación en las líneas
de transmisión. De todos modos puede asegurarse que cuanto mayor sea el
voltaje de transporte más conveniente será la solución de transformación.
Además, para la elección correcta de un sistema que mejor se adapte a las
necesidades o mejor dicho, para elegir la distribución de conductores mas optima,
es también realizar unos análisis económicos, en el cual abarquen, entre otras
cosas, los tipos y características del conductor o conductores, etc.
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1.3 ENUNCIACION DEL TEMA
El crecimiento de la población y así mismo el crecimiento en la demanda de
energía eléctrica, han llevado a algunas centrales generadoras a ampliar su rango
de potencia suministrada, traduciéndose en situaciones complicadas para algunos
sistemas de transmisión. Debido a que los parámetros para las que fueron
diseñadas son, en varias ocasiones, menores a las que se requieren en la nueva
disposición.
También llega a existir el inconveniente de que en voltajes muy elevados, las
pérdidas de energía por diversos factores se incrementan, originado así,
deficiencias en el suministro de electricidad, disminución de la vida útil de los
conductores, entre otras. Todas estas circunstancias se reflejan en pérdidas
económicas para la compañía suministradora y en la inconformidad de los
usuarios para un mejor servicio.
El uso de líneas de transmisión subterránea mejora el rendimiento de las líneas
disminuyendo las pérdidas ocasionadas por radiación y la potencia a transmitir
puede ser mayor. Es importante elegir el mejor sistema de transmisión que se
ajuste a las necesidades técnicas como económicas requeridas, ya que una mala
decisión podría afectar la calidad del servicio, o la economía del usuario y de la
compañía suministradora. La construcción de líneas de transmisión subterráneas
es una alternativa muy útil en los casos en que las plantas generadoras elevan su
potencia instalada y las líneas actuales no son aptas para la nueva potencia que
se va a transportar. En dichos casos, el objetivo es brindar el servicio con las
menores perdidas posibles, y con una mejor calidad para el usuario.
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1.4 EXPLICACION DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO
Esta tesina está fundamentada en tres capítulos, los cuales a continuación se
describen brevemente.
CAPITULO I: En este capítulo se describe la importancia que tiene este trabajo
dentro del campo de Ingeniería Mecánica Eléctrica, sobre todo en el ámbito
industrial y profesional. Este comprende la justificación, naturaleza sentido y
alcance del trabajo, enunciación y la explicación estructural de la investigación,
esto para obtener buenos fundamentos sobre la importancia del análisis y
selección de una línea de transmisión subterránea que en un futuro serán de gran
utilidad en nuestro país.
CAPITULO ll: DESARROLLO DEL TEMA: Este capítulo se dividen en cuatro
subtemas que son:
Antecedentes.
En esta sección se muestra de manera breve lo sistemas de
cables convencionales que estos a su vez se adaptan al sistema de transmisión y
quedan sujetos a la red de energía y a los niveles de voltaje. Se proporcionara
una lista breve de materiales empleados en conductores y sus respectivas
propiedades. Se nombraran algunas de las partes constitutivas de una línea de
transmisión subterránea.
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Tipos de aislamiento. Se muestran los diversos materiales de uso común en
cables. Se mencionaran las diferentes formas de aislamiento como son; el
aislamiento
de
papel
impregnado
con
aceite,
aislamiento
sintético,
las
arborescencias, se indica que existen tres tipos de tensiones en los cables
coaxiales, el tiempo de duración del aislamiento, se plantean el desarrollo futuro
de los cables para líneas de transmisión subterráneas y se nombran brevemente
los cables LPOF autocontenidos, accesorios cables tipo tubo.
Funcionamiento térmico. En este subtema se analiza el área general del
funcionamiento térmico. En las resistencias térmicas se dan a conocer los
métodos de cálculo de estas para los sistemas de cables. Se describe la
clasificación de suelos y las pérdidas que existen en un sistema de cables.
Sistemas de cables de C.A. convencionales. Se indican las ventajas y
desventajas de los cables autocontenidos y tipo tubo. Así como los cables
dieléctricos extruidos, el comportamiento entre sistemas de cables autocontenidos
y tipo tubo. Así como los parámetros eléctricos de los cables autocontenidos y tipo
tubo.
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Capítulo II
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2.1 PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE LA INVESTIGACION
El desarrollo del presente trabajo en su modalidad de tesina se realizo como una
investigación fundamentada en documentación, recopilada y seleccionada de
bibliografías existentes sobre líneas de transmisión subterránea, páginas de
internet, y documentos cuya información sobre el tema pudo relacionarse de una u
otra forma con los contenidos aquí tratados.
La información recopilada, se selecciono empleando una estructura con criterio
propio de organización y definición, pero literalmente factible de comprender para
el usuario.
Los subtemas están organizados de manera secuencial, es decir que cada tema
expuesto enlaza el siguiente, salvo en aquellos casos en los cuales se acepta y
considera que se tiene conocimientos previos y básicos de algunos conceptos
que permiten comprender lo aquí tratado.
Así también se anexaron dibujos, imágenes y tablas que permitan proporcionar un
panorama más amplio y objetivo con respecto a aquellos temas donde se
requieren datos técnicos o informativos.
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2.2 MARCO CONTEXTUAL
El proyecto del estudio técnico de la Transmisión de Energía subterránea se lleva
a cabo en diferentes partes del mundo y en algunos lugares de nuestro país,
debido a que dicha Transmisión de Energía subterránea tiene más demanda en
los países desarrollados de Europa, ya que en nuestro país apenas comienzan a
trabajar con este tipo de transmisión ya que las líneas aéreas son más eficientes
en México por su extenso territorio, pero en un futuro tendremos que utilizar este
tipo de transmisión ya que será mayor la demanda del consumo de Energía
Eléctrica y
las redes aéreas no serán suficientes para transportar toda esa
energía requerida.
Actualmente la Comisión Federal de Electricidad es una empresa del gobierno
mexicano que genera, transmite, distribuye y comercializa energía eléctrica
para cerca de 34.2 millones de clientes, lo que representa a más de 100 millones
de habitantes, e incorpora anualmente más de un millón de clientes nuevos. La
infraestructura para generar la anergia eléctrica está compuesta por 178 centrales
generadoras con una capacidad instalada de 51,571 megawatts (MW). El 23.09%
de la capacidad instalada corresponde a 22 centrales construidas con capital
privado por los Productores Independientes de Energía (PIE).Para producir la
energía se utilizan diferentes tecnologías y fuentes de energía primaria. Tiene
centrales termoeléctricas, hidroeléctricas, carboeléctricas, geotermoeléctricas,
eoloeléctricas y una nucleoeléctrica. Las redes de distribución eléctrica en México
se encuentran interconectadas unas con otras a lo largo de toda la republica.
Para conducir la electricidad desde las centrales de generación hasta el domicilio
de cada uno de sus clientes, la CFE tiene más de 745 mil kilómetros de líneas de
transmisión y de distribución. El suministro de energía eléctrica llega a cerca de
137 mil localidades (133,390 rurales y 3,356 urbanas) y el 96.85% de la población
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utiliza la electricidad. Por lo que se considera en un futuro la instalación de líneas
de transmisión subterráneas.
1.0 ANTECEDENTES
Los alambres aislados se emplearon por primera vez para el telégrafo, hacia la
primera mitad del siglo XIX. Los alambres aislados en la transmisión subterránea
de energía se emplearon por primera ocasión en la década de los años 1880
aproximadamente, casi en forma simultánea de Edison (en EUA) y Ferranti (en
Londres) para sistemas eléctricos de iluminación. Los cables rígidos estaban
formados por barras de cobre aislado con envoltura de yute. La confiabilidad de
estos alambres era razonable, y la mayoría de los problemas se debieron al gran
número de uniones o empalmes necesarios en un sistema rígido, en el que el
conductor no puede ser enrollado en un carrete.
En un proyecto subsecuente, Ferranti pensó en una nueva forma de aislamientopapel impregnado con cera Ozokerita (subproducto que se obtiene en la
fabricación de velas). Con este cable nació la versión moderna de encintado de
papel. El cable Ferranti de 10 kV, está formado por dos tubos concéntricos
(conductores), aislados uno de otro por el papel impregnado. Los conductores
eran tubos de cobre soldado de 20.7 mm y 49.5 mm de diámetro respectivamente.
Para cumplir con las leyes de comunicaciones, Ferranti tuvo que cubrir el tubo
exterior (funda) con capas adicionales de papel, y a colocar el cable en un tubo de
hierro. En la ruta, que tenía una longitud de 7.5 millas, se colocaron 4 cables que
comprendían alrededor de 7000 juntas. En un lapso de 42 años se presentaron
relativamente pocas fallas en las juntas y el cable fue remplazado solo debido a la
necesidad de incrementar la corriente en el circuito. A este tipo de conductor rígido
siguió el rápido desarrollo de un cable flexible torcido y, para 1898, la máxima
tensión en el aislamiento fue de 2.1 kV/mm (cable de una fase). Se investigaron y
usaron muchos materiales aislantes, incluyendo papel, algodón, gutapercha, betún
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vulcanizado y hule. En Búfalo (N.Y.), en 1897, se instalaron cables de hule
vulcanizado de 11 kV y en San Paul y Minneapolis cables de 25 kV en 1900.
En 1895 ya se disponía de papel impregnado con aceite, secado al vacio y con
aceite caliente para 10 kV (circuitos de una fase).
En un principio, en EUA con frecuencia se colocaban los cables en ductos, debido
a que la legislación dominante solo permitía a las autoridades correspondientes
abrir huecos en una ciudad. Las compañías eléctricas rentaron un paso a través
de los ductos dispuestos.
En este caso se emplearon cables de un solo núcleo, con aislamiento de hule,
debido a su mayor flexibilidad, en comparación con el tipo papel-aceite y esta
influencia persiste actualmente en EUA, con el uso generalizado que se hace del
aislamiento elastomérico de un solo núcleo a diferencia de Inglaterra en donde se
emplean los cables papel-aceite colocados en forma directa en los huecos.
A estos voltajes más bajos se usaron cables de papel aislante (tipo solido)
impregnados de aceite (masa impregnada), frecuentemente con los tres
conductores contenidos en una sola funda. Los tres conductores se torcieron y
aislaron en forma separada y después fueron colocados juntos en espiral.
El espacio entre y alrededor de los conductores aislados, fue empacado con papel
o yute para formar una superficie circular, la que a su vez se envolvió con un
aislamiento. Este cable se llama tipo ―cinturón‖ (véase figura 1) y puede tener un
blindaje de alambre de acero sobre la funda, debido a que en dichos alambres
sólo se inducen pequeñas corrientes de Eddy, mientras que los cables de un solo
conductor pueden dar por resultado pérdidas severas y aumento en la impedancia.
Con los cables de tres núcleos, las altas tensiones eléctricas se disponen
tangencialmente a la superficie del papel aislante, en cuya dirección la fuerza de
insulación es más débil.
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Para superar este problema, se envuelve cada núcleo en una capa conductora de
papel metalizado, lo cual, desde el punto de vista eléctrico, convierte al cable en
tres conductores simples, con la tensión eléctrica totalmente en dirección radial.
Este tipo de cable fue introducido por Hochstadter y se conoce como tipo ―H‖.
Conforme aumenta el voltaje del sistema a más de 33 kv, el cable tipo solido de
papel-aceite aumenta su tendencia a la ruptura debido a las bolsas (pequeñas
cavidades llenas de aire o gas) que se forman en el asilamiento cuando las partes
constituyentes del cable se contraen y expanden a diferentes tamaños por el calor
desprendido en los ciclos de carga. La tensión a través de estas bolsas es alta y
da lugar a las descargas locales, produciendo el calor que carboniza el papel; al
final se presenta la ruptura total.
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1.1 SISTEMAS DE CABLES CONVENCIONALES.
Los cables de transmisión de potencia convencionales consisten de una estructura
conductora rodeada por un sistema dieléctrico que sostiene la presión del
dieléctrico y protege el cable del ambiente. El medio de presión es un fluido
dieléctrico o de gas de nitrógeno. El material del conductor es cuerdas de cobre o
aluminio, dependiendo de las condiciones económicos en el momento de
fabricación. El dieléctrico es papel impregnado de aceite secado al vacío. El último
es conocido, como un cable autónomo.
El cable se debe adaptar al sistema de transmisión en forma natural, y quedar
sujeto a la red de energía y a los niveles de voltaje. En caso de que exista una
mayor demanda de carga, para satisfacerla es posible extender una red que se
encuentre a un voltaje dado, pero el final habrá un límite, ya que los niveles de
corto circuito resultan más altos y debido a que, en un momento dado, la planta
puede carecer de la capacidad requerida. Así es necesario introducir un nuevo
voltaje con su correspondiente red traslapada a la original. Otro que provoca la
introducción de voltajes más altos, es el considerable aumento en la dificultad para
obtener ―derechos de vía‖ para los circuitos. Como a mayor voltaje se puede
transmitir una mayor cantidad de energía por una línea (o cable), se requiere una
menor cantidad de circuitos.
En Inglaterra la mayor parte de la transmisión de voltaje se realiza a 400 kV, con
algunos circuitos a 275 kV. La extensiva red de 132 kV ha sido designada como
distribución en vez de transmisión, y es probable que en algunos otros países se
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le conozca como subtransmisión. Algunas veces se utiliza 66 kV para cables
particularmente en la ciudad de Londres.
En casi toda Europa la mayor parte de la transmisión de voltaje se realiza a
400/420 kV, con algunos circuitos a 225/245 kV, 145 kV y 72.5 kV. En
Norteamérica la transmisión de voltaje más alta se hace a 765 kV, seguida por 500
kV, 345 kV, 230 kV y 138 kV en México el voltaje utilizado es de 115 kV. Las
dificultades que surgen con los cables de masa impregnada, se resolvieron
llenando el cable con aceite a baja presión. En 1926, se introdujo en Italia el cable
lleno con aceite a baja presión, autocontenido (LPOF), el cual todavía se usa
extensamente en la actualidad.
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En la figura 1.1 Se ilustra la sección recta de la sección de un cable de 275 kV de
alta capacidad de este tipo, y en la figura 1.2 una sección de una junta o empalme
de un extremo a otro.
Figura 1.2 Junta recta o de un extremo a otro para cable autocontenido de 275 KV llenado con
aceite (1) tapa de contacto (2) electrodo de control de tensión (3) relleno de resina epóxica fundida
(4) aislamiento de papel (5) camisa de cobre (6) aislante transversal (7) aceite de aislamiento
En el cable lleno con aceite, el hueco central se llena con aceite aislante que se
mantiene bajo presión por medio de reservas que alimentan el cable a lo largo de
la ruta. A medida que el cable se calienta con la carga el aceite es impulsado
desde éste hasta las reservas y viceversa, impidiendo así la creación de bolsas.
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En las instalaciones de gas a presión, el nitrógeno con una presión de varias
atmósferas
mantiene
una
presión
constante
sobre
una
funda
interior,
comprimiendo el dieléctrico, lo que también evita la formación de bolsas.
En EUA los núcleos aislados con papel/aceite se instalan en un tubo rígido que
contiene aceite aislante, y con esto ya no se requiere el ducto conductor de aceite.
Figura 1.3 Perspectiva de un cable tipo tubo llenado de aceite a alta presión
Las dificultades existentes en dicho país para mantener una zanja abierta durante
el tiempo necesario para enterrar de forma directa el cable autocontenido (LPOF),
han obligado a utilizar un cable tipo tubo, lleno con aceite, en el que los 3 núcleos
aislados con cinta de papel se introducen en un tubo previamente enterrado, a
través de los agujeros de hombre que se han abierto a intervalos a lo largo de la
ruta (ver la sección recta de las figuras 1.3 y 1.4)
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Figura 1.4 Sección recta de un cable tipo tubo dentro de una zanja
Después de haber colocado los núcleos, se llena el tubo con aceite aislante que
se mantiene bajo una presión de 1.38 MN/m2 (200 lb/pulg2).
Este cable se conoce como tipo tubo, lleno con aceite de alta presión (HPOF), y su
uso se ha generalizado en EUA y otros países. Por lo general, el tubo se
suministra en tramos de 20 m (60 ft) de longitud y se sueldan en el sitio
empleando anillos de refuerzo.
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Durante la instalación se debe tener gran cuidado para impedir que la humedad
penetre en el tubo y, al terminar las labores del día, es necesario llevar el tubo y
llenarlo con gas seco. Los carretes que contienen los conductores aislados se
sellan herméticamente al salir de la fábrica. La instalación del cable tipo tubo se
debe realizar en un día seco y, como las operaciones de ajuste requieren de
precisión y de absoluta limpieza, se deben observar límites estrictos tanto de
temperatura como de humedad.
El cable autocontenido (LPOF), se termina totalmente y se sella en la fábrica,
después se transporta con su contenido de aceite que se mantiene a una presión
aproximada de una atmósfera.
Otro método que se usa para prevenir la cavidad debida a la formación de bolsas,
consiste en utilizar un gas inerte, como por ejemplo, el nitrógeno, el cual ejerce
presión sobre papel dieléctrico. En general, existen dos tipos básicos:
A) Cable de compresión externa, en el cual se separan el gas y el dieléctrico
impregnado de aceite por medio de un diafragma, casi siempre una funda de
plomo aunque en otro diseño se ha empleado polietileno. El cable queda
contenido en un recipiente a presión que puede ser un tubo de acero o funda de
plomo con refuerzos metálicos.
B) Cable de presión interna de gas, en el que el gas queda contenido dentro de
una funda de plomo que está en contacto con el dieléctrico, con esto se logra la
supresión de la ionización.
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Para los dos tipos la presión nominal del gas (nitrógeno), es de 1.38 MPa (200
lb/pulg2), con una presión máxima de 1.725 MPa (250 lb/pulg2). Para ambos la
temperatura máxima del conductor es de 85 °C y la tensión máxima de 11 kV/mm.
Estos cables se han utilizado en sistemas con voltaje hasta de 275 kV.
El sistema llenado con aceite a baja presión (LPOF), se usa con frecuencia en
Europa, principalmente en la forma de tres cables separados, autocontenidos. En
ocasiones, para 132 kV y menores, se han utilizado 3 núcleos aislados dentro de
mera funda. Estos cables se entierran en zanjas, alrededor de ellos se coloca un
relleno especial y después se cubre la zanja con la tierra del lugar.
Figura 1.5 Porcentaje de la longitud de los circuitos de transmisión británicos
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Los cables LPOF se usan para un voltaje máximo de 500 KV. En instalaciones de
alta capacidad se incorpora el enfriamiento a base de agua, para lograr un
incremento en la potencia nominal de la corriente. En la figura 1.5 se ilustra el
porcentaje de la longitud de circuitos de transmisión británicos, instalados bajo
tierra (principalmente LPOF). Como se puede observar en la figura 1.6. En EUA el
cable tipo tubo se ha desplazado, de hecho, al cable autocontenido lleno con
aceite. Los primeros cables tipo tubo de 345 kV se instalaron en la ciudad de
Nueva York durante el año de 1964, en una extensión de 24 km. Una ventaja de
los cables HPOF, es la mayor longitud del núcleo aislado que se puede colocar en
un carrete, de 800 a 1000 m de 138 kV y 600 m de 345 kV.
Figura 1.6 Cables de transmisión subterránea instalados en EUA (de 69 KV a 345 KV)
Otro tipo de cable, cuyo uso se ha limitado a la transmisión de los voltajes más
altos (138 kV), tiene un aislamiento de polietileno solido extruido.
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Este tiene ventajas como ajustes más simple, fácil manejo y no requiere equipo
auxiliar de costo elevado. En la figura 1.7 se ilustra (para EUA), la introducción
progresiva
de
voltajes
cada
vez
más
altos
con
este
aislamiento.
Desafortunadamente los problemas de tipo dieléctrico han tenido el avance hacia
voltajes más altos. Se ha presentado la dificultad de que la extrusión del
aislamiento provoca bolsas e incrustaciones de material extraño, lo cual precipita
la rotura; en la actualidad se están realizando intensivas investigaciones para
poder aumentar el voltaje que soporta este tipo de cables a 230 kV o más.
Aunque el cable de papel/aceite tipo sólido, masa impregnada (sin drenar), tiene
grandes limitaciones debido a la actividad parcial de descarga (corona) en las
cavidades, su uso también se ha generalizado tanto en la distribución de redes,
como para conexiones subterráneas, donde los sistemas más llenados con aceite
pueden ser difíciles de instalar y de operar. En la actualidad es frecuente que esos
eslabones subterráneos transmitan CD, porque la actividad de corona es reducida.
Figura 1.7 Duración de las primeras instalaciones para transmitir voltaje con cables de potencia
aislados con polietileno.
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1.2 INSTALACIÓN SUBTERRÁNEA
Aun cuando no se tiene a propósito a discutir con detalle los aspectos de
ingeniería civil, se hará un breve bosquejo debido a la importancia que tienen los
costos en un proyecto de cables. Hoy en día se tienen disponibles diversos
métodos para la instalación subterránea, por ejemplo, se pueden abrir cortes en
forma de zanjas o surcos, hacer perforaciones horizontales y perforaciones de
túneles o bien se pueden empujar los tubos.
Las dimensiones de la zanja abierta (excavación) dependen del tipo de cable y del
número de circuitos que se vayan a instalar. Por ejemplo, para los sistemas
convencionales tipo tubo (de 115 kV a 345 kV) se requieren zanjas de 0.5 a 1 m
de ancho, con una profundidad aproximada de 1 metro. En general, los costos de
la apertura de zanjas están directamente relacionados con el volumen de material
que se remueve. En las aéreas urbanas pueden surgir complicaciones cuando es
difícil conseguir el espacio requerido ocupado por otros servicios públicos.
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Figura 1.8 Instalaciones típicas de cables bajo tierra doble circuito: a) HPOF tipo tubo b) extruido y
LPOF autocontenido enterrado directamente
En estas aéreas, el zanjado (corte de zanjas realizado con máquinas) se lleva a
cabo con retroexcavadoras, máquinas Dynahoe o Grandall (retroexcavadoras y
montacargas); las dos primeras tienen capacidad de excavar en una sola
operación hasta más de un metro de anchura y la tercera hasta 2 metros (6 pies).
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La estimación de avance máximo en las ciudades es de 25 m/día, en tanto que en
las aéreas suburbanas es de 60 a 100 m. El mejor tipo de suelo para las maquinas
es el que tiene pocos obstáculos y por lo general se deben desmontar a nivel
varios pies a ambos lados de la zanja. En la figura 1.8, se ilustra en forma de
esquema una típica sección recta de una instalación enterrada.
En algunas áreas urbanas, especialmente en EUA, es muy común el uso de
ductos enterrados: en estos se colocan las longitudes de cables autocontenidos,
ya sean del tipo LPOF, o del tipo de dieléctrico extruido. El empleo de ductos
permite mantener dentro de un mínimo la longitud abierta de zanjas, ya que los
caminos sobre el ducto pueden ser reparados antes de que se comience a instalar
el cable. Los ductos se fabrican de barro cocido, fibra, asbesto, cemento, o
concreto; en la actualidad los ductos de plástico, por ejemplo el polietileno, son los
más populares. Normalmente, el espacio mínimo desde el fondo de la zanja hasta
los cables es de 150 mm y el espesor de la cubierta sobre un sistema de cables
enterrados es de aproximadamente un metro. Para efectuar instalaciones de
cables por debajo de caminos y vías ferroviarias o en circunstancias especiales,
se utilizan túneles de pequeño diámetro, hasta de 1 m. La construcción de túneles
de gran diámetro (3 m), se ha realizado para cruces bajo ríos o estuarios. Este
método de instalación resulta costoso a menos que se combine con otros servicios
públicos o con la transportación. En ocasiones se instalan sobre la tierra pequeñas
secciones de circuitos de cables en estructura tales como puentes o en el terreno
propiedad de la instalación.
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Figura 1.9 Sección recta del eslabón de un cable submarino a través de Long Island Sound, tipo
LPOF autocontenido, se emplea para 138 KV, 300 MVA, 60 Hz.
A menudo son esenciales los cruces bajo el agua de bahías, estuarios, etc., y con
frecuencia son de considerable longitud, por ej., 30 km. En estos casos los cables
se colocan sobre el fondo o en zanjas que se abren y se cubren de inmediato. Los
cables tipo tubo HPOF, requieren de la colocación de un lastre para reducir la
flotabilidad de los tubos antes de introducir los cables tirando de ellos (cualquier
peso puesto en los tubos para que esta se sumerja hasta donde convenga); la
máxima longitud de núcleo continuo que puede ser jalada hacia dentro de un tubo
instalado es de 2000 m. en las figuras 1.9 y 1.10 se ilustra una conexión
submarina en la que se emplean cables LPOF.
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Figura 1.10 Conexión para 138 KV en Long Island Sound Ruta de los eslabones de cable- siete
cables incluyendo una de repuesto
Para realizar la instalación y empalme del sistema, se requieren tomas de aire,
perforaciones subterráneas o páneles unidos que se ubican a intervalos a lo largo
de la ruta. Los agujeros de hombre se construyen de concreto y acero reforzado, y
deben tener capacidad para soportar las presiones resultantes del terreno y del
tráfico; las dimensiones típicas son: altura 2 m, anchura interior hasta 2 m y
longitud, hasta 10 m. En la figura 1.11 se ilustra un diagrama esquemático de un
agujero de un hombre. En la figura 1.12, se ilustra los componentes esenciales en
la instalación de un sistema tipo tubo.
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Figura 1.11 Diagrama esquemático de un agujero de hombre para instalar cables tipo tubo.
Figura 1.12 Componentes basicos del sistema HPOF tipo tubo llenado con aceite
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1.3 CONDUCTORES Y FUNDAS
Conductores.
En la tabla 1.1 se proporciona una lista de los diversos materiales empleados en
conductores y sus respectivas propiedades. A primera vista se puede observar
que el material más recomendable es el sodio; sin embargo, actualmente en todo
el mundo se usan el cobre y el aluminio. Las grandes energías implican grandes
conductores y el uso continuo del cobre. En la figura 1.13 se ilustran formas y
medidas comparativas de conductores de 507 mm 2 (106 mil circular). En el cable
LPOF, el conductor tiene un ducto central a través del cual fluye el aceite (ver
figura 1.1).
Tabla 1.1 Materiales para conductores para transmisión de energía
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Figura 1.13 Formas y medidas de los conductores usados en los cables Area Efectiva 507 mm².
Los tipos de (a), (b) y (e), se usan para cables de conductor sencillo. Los tipos (a) y (c), se usan
para fundas con tres conductores. Los tipos (d) y (e), se usan para corrientes altas (menor efecto
Skin), en (e) los segmentos estan aislados unos de los otros.
En los conductores largos que transmiten CA, en el intervalo de las frecuencias de
potencia, el efecto skin tiene una influencia significativa sobre la resistencia
efectiva que presenta el conductor al paso de la CA.
En conductores de 2000 mm2 para cables LPOF, se ha medido una relación de
R
ac
R
dc
de hasta 1.2, esto aumenta las pérdidas en el conductor y reduce
la capacidad de la corriente. Se ha desarrollado una considerable cantidad de
trabajo encaminada a reducir el efecto skin y se ha empleado la transportación
para conductores largos (construcción Milliken). En este último, los alambres se
compactan y tuercen para formar un segmento en el que éstos quedan
transpuestos, es decir, envueltos de tal manera que ocupan toda la posición radial
sobre una capa completa. Entonces algunos segmentos se colocan en su
totalidad, alterando unos ligeramente aislados con otros blindados. En los últimos
conductores largos, se aísla cada alambre. En la figura 1.14 se ilustra el efecto de
este conductor. Recientemente se ha remplazado la espiral de acero central sobre
la que se forman los alambres, y se ha puesto en su lugar un anillo de cobre
desnudo auto sostenido que tiene la rigidez requerida.
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Figura 1.14 Efecto de los alambres esmaltados en forma individual para cables autocontenidos
tipo LPOF, en un conductor Milliken. La razon Rac/ Rdc, se reduce grandemente de conformidad
con los efectos de proximidad.
En años recientes, el extenso uso del aluminio como material para conductores y
para fundas ha tenido un considerable desarrollo. En su presentación corrugada
ha substituido con gran ventaja al plomo como material para fundas y está
ganando puntos rápidamente como conductor en los cables largos LPOF. La
realización de juntas efectivas, las que en la práctica están sujetas a ciclos
térmicos y resbalamiento, constituyen un problema mayor en los conductores de
aluminio. Se han usado muchas técnicas de ensamblaje y en la actualidad se tiene
una confianza total en las técnicas disponibles. La estabilidad en el precio del
aluminio, comparado con el cobre, es una razón para su uso, ya que este último
sufre severas fluctuaciones.
En el área de la sección recta de los conductores está dada en diferentes
unidades en diversos países. En EUA se usa el mil circular (que es el área
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comprendida en un circulo de 0.001 pulgadas de diámetro) y en Europa, el
milímetro cuadrado.
Los factores de conversión son:
Para convertir mm2 a mil circular (CM), multiplicar por 1970. Para convertir pulg2 a
mil circular, multiplicar por 1.273239 * 106; por ejemplo:
104 mil circular = 510 mm2
1 pulg2
= 645 mm2
Fundas
Para los sistemas autocontenidos, en lo que se usa como aislamiento papel
impregnado, es esencial formar sobre el mismo un sello en forma de funda. Hasta
años recientes se han usado el plomo y sus diferentes aleaciones, debido a la
facilidad que se tiene para su aplicación a su flexibilidad y a su resistencia a la
corrosión. El aluminio es superior al plomo en resistencia al deslizamiento, a la
fatiga y a la vibración, así como por la ausencia de descomposición térmica
intercristalina. Se requiere dar protección a las fundas en contra de la corrosión
(en especial si son de aluminio) y en la actualidad esta se proporciona, empleando
PVC o polietileno extruidos colocados sobre la funda. En los tubos de acero que
se usan en los sistemas tipo tubo la corrosión requiere una consideración mayor,
por lo que se usa la protección catódica, o bien se suele cubrir el tubo con
mastique asfáltico, polietileno o polipropileno.
En algunas ocasiones, para aumentar la resistencia mecánica y aumentar la
protección, se agrega una armadura a los cables autocontenidos, en formas de
alambres de acero o cintas envueltas en forma helicoidal alrededor del cable;
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estas quedan separadas de la funda por medio de una cama formada por dos
capas de cintas de papel más yute o una cinta de arpillera.
La presencia de una armadura de alambres o de cintas de acero, produce grandes
corrientes de Eddy inducidas y suficiente calor en el campo magnético, creado en
cables de núcleo sencillo. De cualquier modo, en los cables de tres núcleos el
campo magnético tiene un valor cercano a cero por lo que no existe calor que se
desprenda de la armadura. Se tienen disponibles materiales no magnéticos para
las armaduras como son, las aleaciones de manganeso-silicón-cobre, de aluminio
estirado en frio. Sin embargo, este tipo de armaduras no magnética, es todavía de
precio muy elevado.
En la tabla 1.2 se dan los valores de la resistividad eléctrica y los coeficientes de
temperatura de los materiales empleados en la fabricación de cables.
Tabla 1.2 Coeficiente de resistividad y temperatura
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1.4 CONEXIONES Y TERMINACIONES
La medida del carrete o tambor determina la longitud máxima entre juntas; varias
de estas longitudes o tramos se deben unir en la mayoría de los circuitos de
cables. El diseño de las juntas para altos voltajes es complejo y crítico, en especial
si la unión se debe de hacer a mano in situ, y en consecuencia no se tiene la
resistencia eléctrica del aislamiento del cable debido a la presencia de humedad.
En la figura 1.2 se ilustra una junta recta o de canal invertida (como conexión de
dos longitudes o tramos). Los sistemas autocontenidos, llenados con aceite,
necesitan juntas especiales para aislar hidráulicamente las secciones del cable y
también para permitir que el aceite de la reservas entre al mismo (juntas de
alimentación). Tanto desde el punto de vista eléctrico como del térmico, las juntas
representan una parte crucial del sistema de cables.
En los extremos de entrada y salida de un cable de alto voltaje, el conductor sale
del aislamiento del cable y entra a la atmosfera, donde se conecta a una línea
elevada, a un interruptor, o a un transformador.
La contención efectiva del campo eléctrico no radial se efectúa con dispositivos
que cuentan con sistemas de aislamiento especial, conocidos como extremos
sellados o de sombreretes; la contención de la tensión exterior, la proporciona una
cubierta de porcelana a la que se le ha dado una forma adecuada para minimizar
las fugas de corriente por la superficie exterior. Por lo regular, la terminación del
circuito del cable o la transición a una línea elevada se realiza en una subestación.
Las áreas típicas requeridas son: para la terminación de un circuito simple de 345
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kV, 745 m2 (8000 pies2) y para la transición a una línea elevada de este mismo
circuito 372 m2 (4000 pies2).
Las alturas típicas de la terminaciones son las siguientes: para 138 kV, 4.9 m; para
345 kV, 6.7 m; y para 500 kV, 8.5m. En la figura 1.15 se ilustra un extremo sellado
exterior para un cable LPOF.
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Figura 1.15 Extremo sellado en un cable al exterior (cable autocontenido)
Juntas y terminales
El diseño eléctrico de un cable coaxial es relativamente simple. Cuando se
presenta una discontinuidad debida a una junta entre dos secciones del cable, o
en el extremo del cable donde el conductor entra en contacto con el aire, el campo
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eléctrico ya no se presenta uniformemente radial, sino que tiene componentes
longitudinal y radial.
Esto hace más complejo el diseño del aislamiento. La determinación de la
distribución de tensiones eléctricas, en dos o tres dimensiones, se puede llevar a
cabo por medio de técnicas análogas, como por ejemplo, tanques electrolíticos o
papel semiconductor en base de carbón, o por métodos de computación digital
que comprenden los métodos llamados de diferencia finita y de elementos finitos.
La literatura acerca de estos métodos es extensa. En la figura 1.16 se muestra la
naturaleza de la terminal o del problema de cepillado. Si no se tiene una medida
cualquiera que modifique el campo eléctrico, la disposición de las líneas
equipotenciales y de flujo es la que se muestra en la figura 1.16a. Se ha visto que
existen altas tensiones en la dirección longitudinal con la consecuente posibilidad
de ruptura. Si se refuerza el aislamiento a base de cintas, de tal manera que se
forme un cono de liberación de esfuerzos, se modifica el campo conforme se
muestra en la figura 1.16b, en el cual hay una gran reducción longitudinal de
tensiones.
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Figura 1.16 Lineas equipotenciales entre conductor y funda en terminaciones (a) aislamiento no
adicionado (b) cono de tensiones agregado.
Terminales para cables de papel-aceite
Los principales requerimientos son los siguientes:
(1) Distribución uniforme del voltaje
(2) Coordinación de la resistencia interna y externa del dieléctrico, de tal
manera que, si llega a ocurrir accidentalmente un arco, éste quede
confinado al exterior de la porcelana
(3) Diámetro mínimo del ensamble del cable, para conservar pequeñas las
dimensiones de la porcelana. Así se limita al cincho y otros esfuerzos que
se desarrollan debido a la presión interna.
(4) De fácil ensamble e impregnación en el sitio.
(5) Eliminación del aire y la humedad en el aislamiento del cable.
(6) Establecimiento de un sello de presión, para contener el fluido del cable.
Cuando la funda o pantalla se cortan en la parte trasera, no es uniforme el
esfuerzo a lo largo de la superficie expuesta del dieléctrico del cable, y el gradiente
de máxima impregnación o concentración de esfuerzo se presenta en la mitad del
extremo de la pantalla. La resistencia eléctrica del papel traslapado es muy baja
cuando el campo está dirigido a lo largo de la laminación o es paralela a ésta, si se
compara con la que se obtiene si el campo es normal a la laminación o bien,
cuando pasa a través de ésta. En sistemas de alto voltaje llenados con aceite, es
práctica común controlar las tensiones en los extremos del cable por medio de la
aplicación de un enrollamiento de papel de aislamiento preimpregnado, adyacente
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al extremo de la funda. Con el papel enrollado en forma de un cono de forma
predeterminada y se verifica con una plantilla. Para sistemas con voltajes debajo
de 66 kV, resulta adecuado un contorno de línea recta para el papel enrollado,
pero arriba de ese voltaje, el perfil del enrollamiento se calcula a partir de una
forma logarítmica, para la que se supone los datos de las tensiones radial y
longitudinal permisible, por lo general, el valor nominal de este último estará
limitado a 2.5 kv/mm. En todos los casos, se coloca una pantalla metálica, que
generalmente está formada por alambres conductores, desde la funda del cable
hacia arriba y sobre el perfil de tensiones y se asegura de manera adecuada por
medio de soldadura; más allá del final del alambre, se tiene una parte recta del
enrollamiento de papel. En el remate de perfil de tensiones, donde ya se ha
terminado la pantalla metálica, se presenta aun un incremento agudo de la
tensión, en la vecindad de la vuelta de la punta del alambre de plomo. Por lo tanto,
para sistemas con voltajes superiores a 138 kV, la tensión en esta región se debe
controlar más todavía para asegurar que no se presente accidentalmente un arco
interno durante las pruebas de impulso y voltaje de CA.
Los casquillos impregnados en aceite se hacen por traslape de la cinta de papel
después de secarla al vacio. En estos las descargas internas se presentan a
niveles de principio más altos que
en los casquillos comprimidos de resina
sintética enlazados con papel, además de que estos últimos no se usan para los
voltajes más altos. Existen tres métodos básicos para el control de tensiones y,
aun cuando el predominante es la nivelación de la capacitancia se puede lograr el
control por la nivelación de la resistencia y por uso de configuraciones adecuadas
de electrodos, los cuales se usan para guiar y modificar el campo eléctrico.
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Nivelación de la capacitancia
Existen dos métodos: durante el proceso de traslape de papel, se insertan hojas
conductoras o capas equipotenciales, en posiciones radiales apropiadas, o bien se
usan capacitores nivelados separados por completo del cable forzado. En la figura
1.17, se muestra el diagrama del arreglo físico de los electrodos de hoja, así como
de varias capacitancias comprendidas en una terminación de casquillo capacitor.
Si se desprecia la capacitancia de las hojas de la tierra, se puede dividir el arreglo
en capacitancias en serie y derivadas. Para una distribución en serie de voltaje, la
capacitancia entre dos hojas sucesivas cualesquiera se gradúa de tal manera que
resultan diferencias iguales de voltaje. Existen tres alternativas para obtener la
distribución uniforme de voltaje en el casquillo capacitor:
(a) Por variación del espesor del aislamiento entre dos hojas sucesivas,
mientras se mantienen los pasos proyectados de igual longitud.
(b) Por ajuste de la longitud de los pasos proyectados, mientras se conserva
constante el espesor del aislamiento entre dos hojas sucesivas.
(c) Por el arreglo de pasos proyectados iguales y espesor de aislamiento igual
entre dos hojas sucesivas.
El diseño (c) es el más simple, aun cuando puede introducir tensiones un poco
mayores, en los dos extremos, comparadas con las que se tienen en los pasos
intermedios. Sin embargo si se escogen las dimensiones adecuadas de la hoja, en
un cable de una medida dada, se pude hacer la distribución potencial
suficientemente uniforme, para todos los fines prácticos.
Los tres tipos de diseño pueden ser prefabricados o se pueden formar a mano en
el sitio. En la figura 1.5 se muestra un cable LPOF de extremo sellado. El cono se
fija sobre la parte superior de la parte recta del perfil de tensiones, tan ajustado
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como sea posible, con la última hoja conectada al alambre conductor en el perfil.
El uso de conos capacitores prefabricados tiene la ventaja de que es posible
fabricarlos, inspeccionarlos y probarlos en la fábrica bajo condiciones controladas.
Además la terminación de cable se puede complementar en corto tiempo.
Figura 1.17 Terminacion del cable tipo capacitor con el empleo de hojas y aislamiento escalonadodiagrama esquematico
En la figura 1.18 se muestra el sistema que emplea capacitores separados. Los
discos capacitores se colocan uno sobre el otro, con lo que se obtiene una suave
nivelación longitudinal de tensiones. El diseño eléctrico es directo, ya que las
capacitancias en derivación entre los capacitores y el conductor son predecibles.
Se puede igualar los pasos de la capacitancia en serie y en la medida de que esto
se logre, el valor real escogido de la capacitancia no resultará crítico. El electrodo
capacitor más bajo se conecta al alambre conductor de perfil de tensiones, y la
parte superior del capacitor se conecta al conductor. Los capacitores en serie se
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acumulan alrededor del tubo central, el cual se ensambla e impregna en la fábrica
y es enviado sumergido en aceite al sitio donde se va a instalar. Es posible
graduar la superficie externa del casquillo de manera total y uniforme para la
frecuencia de la potencia y los voltajes de impulso, siendo las tensiones del orden
de 2.8 KV/mm y 5.5 KV/mm respectivamente. En la figura 1.19 se muestra un
diagrama de sombrerete que se usa para los cables tipo tubo, mismo que emplea
capacitores de disco separado; los niveles de voltaje son los indicados.
Figura 1.18 Terminacion tipo capacitor de nivelacion a base de discos capacitores
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Figura 1.19 Sombrerete (terminacion). Capacitancia graduadapara nucleo de cable HPOF tipo
tubo. Diagrama esquematico se muesran las lineas equipotenciales como porcentaje del voltaje del
conductor.
La tensión máxima del casquillo tipo capacitor (de hojas graduadas) está dada por
la relación:
donde
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y

longitud del primer capacitor ( el más cercano al conductor)

longitud del ultimo capacitor (el mas cercano a la pantalla exterior)

conductor del voltaje a tierra

tension máxima

radio del conductor
Juntas para aislamiento a base de cintas
Cuando se interrumpe el aislamiento del cable para formar un empalme o una
terminación, es necesario aumentar el radio del aislamiento por la baja resistencia
eléctrica de las cintas en el sentido longitudinal. Con objeto de minimizar la tensión
longitudinal, se debe realizar en cada caso el cambio en el diámetro del cable del
centro de la junta.
El diseño eléctrico de una junta o la modificación de un diseño existente, se realiza
por lo general con ayuda de una grafica de campo completa en la que se tenga la
simetría radial supuesta de las líneas equipotenciales. Esto se obtiene usando el
método numérico de diferencias finitas (o elementos) y una computadora digital.
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Figura 1.20 Perfil de un aislamiento aplicadoa mano (papel-aceite) en una junta o empalme
continuo.
Un método aproximado para determinar las tensiones longitudinales de las
operaciones
críticas
supone
la
obtención
de
los
voltajes
radiales,
independientemente de los componentes axiales a la tensión. Considérese el
arreglo que se muestra en la figura 1.20, en el cual el aislamiento aplicado a mano
está sobre el aislamiento del cable que tiene un escalonamiento hacia el
conductor; en la figura están indicados los diferentes radios y dimensiones. Se
supone que la inductividad específica del aislamiento aplicado a mano es igual a la
del aislamiento del cable. La tensión longitudinal a lo largo de los límites entre los
materiales aislantes, se obtiene evaluando los voltajes de los puntos a y b (figura
1.20). El voltaje (v), en b, a través de las capas de aislamiento aplicado a mano,
está dado por:
donde V es el conductor de voltaje a tierra, C es la capacitancia por unidad de
longitud del aislamiento del cable,
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donde:
y C1 es la capacitancia del aislamiento aplicado a mano
De aquí que
rc = conductor
ri = aislamiento del cable
longitud del último capacitor (el más cercano a la pantalla exterior)
Como el voltaje en a, la funda del cable, es cero, la tensión longitudinal está dada
por aproximadamente (V1—0) dab. En forma similar, las tensiones longitudinales
en otras operaciones están determinadas, por ejemplo, entre c y d.
En c,
En d,
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De aquí que
Las tensiones radiales se obtienen por la formula usual,
Aunque es obvio que este método no es muy exacto, proporciona en forma muy
rápida una medida aproximada de las tensiones eléctricas en la junta.
Se puede terminar el dieléctrico del cable en forma escalonada o con un encintado
uniforme. En el perfil precalculado, se debe de considerar permisible el cambio en
las dimensiones del papel conforme va perdiendo humedad: con frecuencia se usa
una concentración del 15% al pasar de las condiciones húmedas al vacio seco. El
extremo escalonado del cable representa una discontinuidad que puede producir
ionización en las aberturas de los extremos, en el momento en el que se presenta
el flujo. Bajo ionización es posible que la ionización de abertura admitirá un
potencial que es el valor medio de los que tienen las superficies adyacentes.
Como guías de diseño aproximadas, se tiene que el espesor de las cintas
aplicadas a mano es el doble del aislamiento del cable y que la tensión radial
máxima en la junta es igual a las dos terceras partes de la que tiene el cable.
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Se ha informado que en los sistemas llenados con aceite, en los que se controla la
tensión longitudinal a lo largo de la junta por medio de capacitores de circuito
impreso, se obtiene la graduación de la capacitancia en las juntas.
Cables con aislamiento extruido
La relativa simplicidad de los empalmes y terminaciones es un atractivo de este
tipo de aislamiento. Un empalme modelado en la fábrica y sometido a prueba
previamente, debe ser de gran utilidad para sistemas de 138 kv: en la figura 1.21
se muestra un empalme ensamblado propuesto. El funcionamiento de las juntas
envueltas a mano y montadas en el campo, está sujeto a la variación de la calidad
del trabajador y al mismo tiempo requerido para su utilización; es normal que se
requieran de 1 a 3 días para cada sección trifásica.
Figura 1.21 Ensamble de un empalme moldeado para un cable dielectrico solido extruido, 1. Cable
conductor, 2. Conductor conector, 3. Aislamiento del cable, 4. Proteccion del aislamiento del cable,
5. Adaptador de cable, 6. Alojamiento del aislamiento del manguito del empalme, 7. Transferencia
de calor en el empalme, 9. Inserto conductivo en el alojamiento, 10. Proteccion semiconductor.
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1.5 COMPORTAMIENTO ELÉCTRICO DE LOS CABLES EN UN SISTEMA DE
ENERGÍA
Los cables convencionales constituyen un buen capacitor. La inductividad
especifica relativa (Ɛr) del aislamiento papel/aceite, es del orden 3.5, lo cual da
como resultado una alta capacitancia por unidad de longitud. Por otro parte, el
valor de Ɛr para el polietileno extruido es de 2.2. Esta capacitancia tiene dos
implicaciones mayores:
a) La carga de corriente en CA es substancial y podría ser, en longitudes
razonables, igual a la corriente de régimen (en base a consideraciones
térmicas).
b) En los grandes sistemas subterráneos de las aéreas urbanas, los
problemas de control de voltaje se presentan principalmente en las horas
en que se incrementa la carga de luz, cuando el voltaje aumenta en forma
considerable.
Para superar estos problemas los circuitos de cable EHV tienen reactores
inductivos conectados en derivación, para reducir la capacitancia total. En los
sistemas autocontenidos, esto incrementa el costo más o menos el 20%. Es por
esto que existe la necesidad de usar aislamientos de bajo Ɛr, por ejemplo, gases o
plásticos. En la tabla 1.5 se dan los valores de la inductividad específica para
sistemas de aislamiento de cables junto con los valores de ángulo de pérdida (tan
δ).
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Tabla 1.3 Valores de inductividad especifica y de los factores de perdida.
Los reactores en derivación usan transformadores parecidos y, debido a sus
dimensiones, estos se ubican sobre el terreno, por lo general adyacentes a las
terminaciones de cables. Idealmente se requieren estaciones de reactancia
separada a lo largo de la ruta, aun cuando solo rara vez se instalan. Para un
reactor de circuito sencillo de 345 kV, se requiere de un espacio de 930 m 2 (1000
pies2), en una subestación y para este mismo reactor se requiere en una estación
más o menos un acre. En la tabla 1.51, se ilustran los requerimientos de potencia
reactiva para cables LPOF a niveles de voltaje Europeos. En la tabla 1.52 se
ilustra la generación de potencia reactiva para cables tipo tubo.
La capacitancia de un conductor concéntrico (de radios exterior e interior R y r
respectivamente) en forma de rejilla está dada por:
C = 2лƐ0Ɛr ln
La potencia reactiva trifásica total
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Q= √3VIC = 3V 2л
=
(MV Ar/m).
Solo se puede reducir este valor si se disminuye Ɛr, por ejemplo, el valor del
papel/aceite, que es más o menos de 3.5 al del polietileno que es de 2.2 o todavía
mejor, para aislamiento de gas con un valor Ɛr alrededor de 1.0.
Tabla 1.4 Potencia reactiva para sistemas de cable LPOF.
Otro resultado de la capacitancia del cable, es la magnitud de la carga de
corriente. Considérese un cable alimentado por uno de sus extremos. La carga de
corriente por metro de longitud, IC = (v/√3)2л
, en donde V, es voltaje de línea en
la línea; cuando la longitud del cable es tal, que la corriente del extremo emisor sin
carga (valor máximo) iguala la corriente de régimen (tomando como base el
aumento de temperatura), la longitud se llama critica
sin que exista la
posibilidad de hacer pasar una carga a través del cable por mínima que está sea,
si no se presenta un aumento excesivo en la temperatura.
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Por ejemplo, un cable HPOF de 345 kV (Ɛr = 3.57) con 25 mm de espesor de
pared de aislamiento, tiene una longitud de 42 km (26.4 millas). Sin embargo, se
debe recordar que, antes de llegar a esta longitud, la corriente del cable de
régimen comienza a ser muy restringida. Las ventajas de costo obtenidas al
disminuir el espesor del aislamiento quedan compensadas por el incremento de la
capacitancia y de la pérdida del dieléctrico.
Una consecuencia posterior a la capacitancia, y por lo tanto de Ɛr concierne a la
pérdida del dieléctrico y al régimen térmico. A voltajes elevados la pérdida del
dieléctrico se convierte en una parte substancial en los cables convencionales
llenados con aceite, y la reducción del producto Ɛr X tan δ es de gran importancia.
Figura 1.22 Circuito basico equivalente de un cable de una fase.
La interacción entre los niveles de voltaje y el flujo de la potencia reactiva es
conocida. La caída de voltaje a través de un eslabón de la transmisión de
resistencia R y reactancia X, con una absorción var capacitiva
(véase la figura
1.22), está dada por:
VS – VR =
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Si se supone que el extremo emisor es una barra colectiva infinita (V.), entonces
los vars transferidos
, suponiendo que
es una protuberancia en
cada extremo del cable.
Si
entonces
y si
entonces
es
negativo y habrá un aumento de voltaje en el extremo receptor. Bajo condiciones
sin carga,
, por lo tanto entre la condiciones de sin carga y
carga total, existe una considerable variación en voltaje para sistemas operados
manualmente.
Este tratamiento se puede extender a redes que estén formadas total o
parciamente de circuitos subterráneos, como se podría encontrar en aéreas
urbana y suburbana. Por lo tanto, la solución obvia es conectar, donde se
considere conveniente, reactores inducidos en derivación para neutralizar la
potencia reactiva generada por los cables. En los grandes sistemas urbanos el
problema se agrava, debido a la relativamente pobre capacidad de los grandes
turbo-generadores para liberar a la red, la potencia reactiva principal. Una
maquina de 500 MW, de baja relación de corto circuito puede absorber
relativamente mucho menos potencia reactiva que los generadores más
pequeños.
El sistema consolidado Edison en Nueva York ilustra esta situación. Tiene una red
principal de cables tipo tubo de 345 kV, y dentro de los límites de la ciudad el
circuito de distribución (27 kV y 13.8 kV) es subterráneo en su totalidad. Aun
cuando en los periodos máximos de carga se utiliza la capacitancia asociada, la
carga de iluminación provoca serios problemas.
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La carga mínima durante el periodo en que no se tiene la carga máxima es el 20%
del máximo diario semanal y, considerando el día promedio, la razón de la carga
mínima es un 30%. En general el exceso de vars se puede absorber de las
siguientes maneras:
(1) Operando el generador a baja excitación.
(2) Mediante el empleo de reactores en derivación
(3) Estableciendo la circulación en vars en circuitos seleccionados
(4) Interrumpiendo los circuitos de cables seleccionados
Además de la capacidad límite para absorber vars en el generador mencionado,
existe el problema de que los grupos que están fuera de servicio durante los
periodos de carga de iluminación, ya sea por razones económicas o de
mantenimiento. Si estas maquinas se encuentran en operación, se pueden
emplear para ayudar a controlar la situación creada por el excedente de vars.
Si se presenta la situación de tener las dos maquinas más grandes fuera de
servicio y quizá las otras en mantenimiento, será necesario interrumpir el servicio
de los circuitos selectos para poder controlar en forma debida el voltaje. Si se
cambian derivaciones en los transformadores, es posible forzar en ciertos circuitos
el flujo de una cantidad de corriente mayor que la que circularía por ellos de
manera normal.
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Así se incrementa la absorción de vars, vía las pérdidas inductivas (conocidas
con el nombre de derivaciones alternadas). Desconectar los circuitos de cables,
presenta ciertos problemas, debido a las ondas de interrupción; estas pueden ser
modificadas por la resistencia a la desconexión de los circuitos interruptores. La
instalación de reactores es cara y puede llegar a alcanzar el 20% de los costos del
circuito de alto voltaje. En la figura 1.23, se ilustra un diagrama típico de
compensación para un cable propuesto de 500 kV tipo tubo.
Tabla 1.5 Perdidas y potencia reactiva (MW Ar) para cables tipo HPOF, (conductores de 1020 mm²
(2 x 10 mil circular), enfriamiento natural, temperatura 75°C.
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Figura 1.23 Compensacion reactiva, cables de circuito dobles, en arreglos para 500 kv.
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1.6
ELEMENTOS
PRINCIPALES
DE
UNA
LÍNEA
DE
TRANSMISIÓN
SUBTERRANEA
 Registros y ductos obras civiles: son elementos fundamentales en la
construcción de líneas subterráneas, las cuales constan y se realizan en la
etapa de obra civil. Los registros están formados por completo de acero, en
caso de los ductos se pueden utilizar dos tipos:
 Tubo de PVC de alta densidad: puede ir directamente enterrado sin
necesidad de enterrarlo en concreto.
 Ductos de PVC conduit: este tipo de ductos se requiere de ser enterrado en
concreto porque mecánicamente es flexible.
 Soportes no metálicos.
 Tierras: estas están compuestas por un cable longitudinal y continuo
principalmente de cobre desde su inicio de la línea, hasta su terminación y
que sirve para igualar las diferencias equipotenciales de los campos
eléctricos, así como por el apoyo de la varilla de tierra y sus conductores
ayudan a drenar cualquier falla que se llegue en los cables de potencia,
 Empalmes.
 Terminales.
 Cables.
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Accesorios que se emplean a 200 A.
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Accesorios que se emplean para 600 A.
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2.0 TIPOS DE AISLAMIENTO
2.1 AISLAMIENTO DE PAPEL IMPREGNADO CON ACEITE
Papel Aislante
Las fibras de celulosa que se usan para fabricar cintas de papel para cables son
casi siempre derivados de madera, preferentemente de abeto y de pino.
En el proceso de kraft (sulfato) se hierven virutas de madera en una solución
alcalina recalentada y la suspensión de fibras que se obtiene se somete a un
proceso de lavado, haciéndolo pasar después a través de rodillos rotatorios y
finalmente se coloca sobre una gasa y se seca. En algunas ocasiones se han
llegado a emplear fibras de algodón, cáñamo y lino. Un proceso de lavado de agua
ayuda a eliminar las sales del papel solubles en esta, con lo que se reduce su
factor de potencia; este proceso se puede hacer más amplio si se emplea agua
des-ionizada. En la figura 2.1 se muestra la estructura del papel de Kraft.
La densidad de las fibras de celulosa por si solas, es de 1.54 x
20°C, en tanto que la del papel acabado es de
kg/
700 a 900 kg/
a
. La
impermeabilidad es una propiedad importante, ya que determina el proceso de
secado e impregnación de aceite en el papel y se controla por medio del calor que
se da a la pulpa durante la fabricación del mismo. La resistencia mecánica es
importante para este proceso automático de encintado al traslape, en la que se
usa una fuerza de traslape de 22 N (5lb).
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La resistencia la tensión es de 75 Mpa (11,000 lb/
de 34. Mpa (5000 lb/
) en sentido longitudinal y
) en sentido transversal. Bajo condiciones atmosféricas
normales el papel absorbe humedad en una cantidad aproximada de 8% de su
peso seco y, si esta condición no se corrige, reducirá en forma severa la
resistencia eléctrica a la ruptura. Por lo tanto, se tendera hacer un adecuado
secado al vacio antes de proceder a la impregnación con aceite. Por medio de
satinado se puede obtener un fino acabado y una alta densidad. Este proceso se
realiza pasando el papel sobre rodillos calientes, al final de la manufacturación.
Aceites Aislantes
Figura 2.1. Estructura del papel amplificada a 1200
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Se pueden dividir en dos grandes grupos:
(a) Aceites muy viscosos que se usan en cables de ―tipo solido‖ y que
contienen resina o hidrocarburos polimerizados.
(b) Aceites de baja viscosidad para sistemas ―que se llenan con aceite", para
alta y baja presión.
Un aceite de uso común para sistemas autocontenidos, llenos de aceite, es el
Dodecilbenceno (DDB) con una viscosidad de 12 centistokes a 20°C y de 5
centistokes a a temperatura indicada 20°C y se reduce hasta 8.5 a 50°C. Por otra
parte, el aceite mineral grueso tiene una viscosidad de 3500 centistokes a 20°C
que se reducen a 48 a 95°C.
Los parámetros típicos del aceite parafinico son los siguientes:
Viscosidad (centistokes) 90 a 20°C, 8.4 a 80°C; densidad 863 kg/
;
conductividad térmica 0.18W/m-°C; inductividad especifica relativa 2.20; tan
a
20°C, 0.1 x
, a 80°C, 5 x
y a 120°C, 50 x
.
En los cables tipo tubular, se utiliza aceite mineral refinado o aceite producido en
forma sintética a partir del isobutileno y cualquiera de estos dos tipos de aceites de
baja viscosidad se emplean para enfriamiento forzado. Recientemente se han
introducido alkylates de viscosidad más baja, como el decilbenceno lineal y el
ramificado monilbenceno, con la intensión de incrementar la distancia entre los
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puntos de alimentación del cable y para grandes cables submarinos (hasta 80 km).
Estos alkylates absorben el hidrogeno desprendido en el aislamiento en un
intervalo de temperaturas de operación, mucho más amplio que los aceites
minerales. El proceso de envejecimiento de la celulosa también produce agua,
misma que acelera la degradación térmica y los alkylates la absorben
nuevamente.
Papel-Aceite Aislante
Las cintas de papel se envuelven en forma helicoidal alrededor del cable
conductor como una pantalla. Con el objetivo de permitir el movimiento lateral de
las cintas, sin que se monten unas en otras cuando el cable se desdobla, estas
tienen una abertura (abertura de extremo) en las vueltas adyacentes. Este último
proceso provoca pliegues y rasgaduras en las cintas, lo que perjudica la
resistencia eléctrica; como las aberturas de extremo representan un punto débil
eléctricamente, se traslapan entre las capas por medio de un registro adecuado de
las cintas durante el proceso de enrollamiento. En la figura 2.2 se ilustran registros
50/50 y 65/35. Es de gran importancia conocer el radio al que se puede desdoblar
el cable y se relaciona con los parámetros de la cinta, de la siguiente manera:
=
El cual en la práctica es del orden de 0.1. Antes de que se aplique la cinta principal
de papel aislante se encinta el conductor torcido con dos capas de papel
semiconductor (carbón negro) o papel metalizado para formar una pantalla.
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Esto elimina el incremento local en la tensión eléctrica debida a los esfuerzos
individuales.
Figura 2.2. Registro de cintas para traslape: (a) 65/35, (b) 50/50. Por lo general las aberturas de
extremo son del orden de 1 mm de ancho = x/y.
El aislamiento tipo (sin drenar), se usa para voltaje de CA hasta 35 kV y para
voltajes más altos de transmisión de corriente directa, especialmente en tramos
bajo agua. En esta forma de aislamiento existen cavidades o huecos debido a los
diferentes coeficientes de expansión térmica del papel, el aceite y la funda. Al
calentarse por la carga la funda se estira mas allá de su límite elástico, por lo que
no regresa a su volumen original al enfriarse. En consecuencia, se forman
cavidades que se llenan de aire a baja presión atmosférica. Frecuentemente se
usa la tensión máxima límite de 4.0 kV/mm para la operación en CA.
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Este fenómeno se puede corregir con las medidas que dan lugar o otros tipos de
cables, específicamente:
(a) Llenos con aceite, en los que se usa un aceite ligero de baja viscosidad
para la impregnación y se conserva bajo presión tanto dentro de la misma
funda del cable, como dentro de un tubo de contención.
(b) Llenos con gas, en los que se mantiene el gas bajo presión en el dieléctrico.
(c) Cable a compresión, en el que el aislamiento impregnado de aceite se
conserva bajo presión por medio de la que ejerce un gas que se aplica
desde el exterior.
Para el contexto de la transmisión de alta potencia, es de particular interés el cable
lleno con aceite. En la figura 2.3 se ilustra el efecto de registro sobre la falla.
De manera invariable, las partículas y otros contaminantes están presentes en el
aceite aislante. Bajo las altas tensiones eléctricas que se presentan en las
aberturas de extremo (la inductividad específica relativa del aceite es de 2.0 más o
menos comparada con un valor de 6.0 del papel).
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Figura 2.3. Relación entre la resistencia al impulso y el registro (resultados obtenidos de modelos
de prueba papel/aceite).
Estas partículas se activan por medio de las fuerzas electrostáticas y tienden a
formar un puente a lo largo de las aberturas, provocando una abertura local en
ellas.
Esto produce calor y rompimiento de las moléculas del aceite, lo que se traduce en
la producción de gases, de manera principal hidrogeno y metano (en forma de
burbujas). Las descargas tienen lugar en estas burbujas, las cuales se alargan en
la dirección del campo y finalmente las descargas en el puente de la abertura
erosionan las paredes causando la falla.
Los siguientes voltajes de ruptura son de interés: frecuencia de potencia 60 Hz,
impulso de forma de onda, 1/50µs para la iluminación, y muchísimo mayor,
200/3000 µs para interrumpir el flujo y para voltaje directo. Es muy importante
conocer el voltaje en el que se inicia la descarga en las aberturas de extremo, en
los aislamientos dispuestos a dicha acción. En la figura 2.4 se muestran las
mejorías que se obtienen de CA y la resistencia a la falla de impulso con aumento
en la presión del aceite (cables autocontenidos llenos de aceite).
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Con frecuencia la resistencia al impulso es el factor limitante en el diseño del
aislamiento: se puede mejorar con el empleo de papel de más densidad y aceites
de mayor viscosidad. Al incrementar la densidad del papel hay una mayor
permitividad y un aumento en la capacitancia. El voltaje de falla directo es del
mismo orden que el valor del impulso. En la figura 2.4 se observa que para los
sistemas llenos con aceite, un incremento en la presión del mismo de 2 a 20 o 30
atmosferas, incrementa la resistencia al impulso de 10 a 15% y la resistencia a la
CA hasta un 70%.
Figura 2.4. Impulso y voltaje de ruptura CA versus presión de aceite para un aislamiento
papel/aceite (lleno con aceite).
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Figura 2.5. Voltaje de impulso de ruptura contra el espesor de la protección-aislamiento
papel/aceite. (Espesor total 1 mm)
La resistencia a la falla de cintas impregnadas de aceite aumenta cuando
disminuye el espesor individual de cada cinta, como se puede ver en la figura 2.5
para cables llenos con aceite. Como la tensión eléctrica es alta en el conductor y
disminuye hacia el exterior de la pantalla, se puede obtener economía y un
espesor de aislamiento reducido, con el uso de cintas de diversos espesores a lo
largo de todo el aislamiento.
En la figura 2.6 se muestra la relación entre la resistencia al impulso y el ancho de
la abertura de extremo. En la figura 2.7 se encuentra la relación entre la
resistencia al impulso y la densidad de papel.
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Figura 2.6. Efecto de la abertura de extremo sobre la resistencia al impulso papel/aceite.
Figura 2.7. Relación entre resistencia al impulso y densidad aparente del papel (pruebas con
modelos de aislamiento papel/aceite).
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Se tiene un gran cuidado para excluir la humedad en el proceso de manufactura y
en las operaciones de empalme realizadas a mano. Las
burbujas de gas se
forman por electrolisis del agua que absorben las fibras y, si la razón de
generación de gas excede la capacidad del aceite para absorber las burbujas en
la solución, las burbujas crecen y ocurre la descarga de corona, lo que
posiblemente conduzca finalmente a una ruptura.
A un cuando puede parecer atractivo reducir el espesor de la cinta (mejoría en el
comportamiento eléctrico), esta reducción afecta la rigidez transversal lo que
provoca que el papel se abolse en lugar de deslizarse, al ser afectado por el
desdoblamiento del cable. Lo anterior se debe a la fricción entre capas que a su
vez depende de la tensión de traslape existente en cada vuelta; es decir, la alta
tensión da por resultado alta fricción y viceversa.
Sin embargo, si la tensión es baja la cinta quedara floja y perderá su forma
helicoidal por lo que la tensión de encintado quedara restringida entre los dos
valores limites, superior e inferior, y estos convergen hacia un punto conforme la
cinta disminuye de espesor. Debido a la absorción de humedad y a los
consecuentes cambios dimensionales del papel, el encintado se realiza en una
atmosfera controlada de baja humedad.
A los voltajes de operación más altos empiezan a adquirir gran importancia tanto
el factor de potencia, como la perdida de dieléctrico resultante:
Perdida de dieléctrico por fase =
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En donde V es la línea de voltaje neutro, C es la capacitancia del aislamiento por
metro, tan
es la perdida tangencial (ver figura 2.8).
Figura 2.8. Tangente de pérdida en el dieléctrico. Perdida
En los cables LPOF la pérdida del dieléctrico a 400 kV (50Hz) es, en forma
aproximada, la mitad de la perdida óhmica del conductor. Es importante la
variación del ángulo de pérdida del dieléctrico (tan
figura 2.9 se muestran
) con la temperatura. En la
las curvas de tan -temperatura para el dieléctrico
papel/aceite que se usa en los cables llenos con aceite a alta presión. El
incremento en la temperatura da lugar a un aumento en la perdida de dieléctrico y
ocurre la creación de un mecanismo de inestabilidad térmica que
provoca la
ruptura. Esto sucede especialmente en aquellas partes del aislamiento en donde
coexiste la alta temperatura y la tensión eléctrica. Esencialmente el proceso es
una función de la distribución de la temperatura.
En la figura 2.10 se ilustra el efecto del contenido de humedad.
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Pantallas
Las pantallas formadas con cintas de papel carbón negro, que se usan para
―igualar‖ las variaciones de las tensiones alrededor de los conductores torcidos,
mejoran la resistencia a la falla.
Figura 2.9. Tan
- relación de temperatura para aislamiento papel/aceite (cable HPOF). 550 kV.
Resultados obtenidos de 4 cables de Walts Mill.
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Figura 2.10. Efecto del contenido de humedad y temperatura sobre la pérdida a 50Hz de un papel
denso: (a) no impregnado; (b) impregnado de aceite.
Una ventaja adicional en su capacidad para ―acabar‖ con las partículas en el
aceite en las aberturas de extremo adyacentes al conductor; también se emplean
para proporcionar una superficie equipotencial en el exterior del aislamiento. Se
incrementa la CA y las tensiones de ruptura al impulso, aunque también se
incrementan las perdidas del dieléctrico, pero no en una cantidad importante. Este
incremento en la pérdida se presenta en los espacios de aceite que se encuentran
en contacto con la pantalla de carbón negro, y se puede minimizar si únicamente
se suministran aberturas muy delgadas entre las cintas de papel adyacentes a la
pantalla, o por el empleo de papel Dúplex dos capas (carbón ordinario). El espesor
típico para pantallas Dúplex es de 0.1 mm, dividido en forma igual entre las dos
capas. En la figura 2.11 se muestra una disposición típica entre el conductor y las
pantallas de aislamiento. El empleo de las pantallas Dúplex mejora el aislamiento
para los cables LPOF, que se han obtenido aumentando al mismo tiempo la
tensión a la falla en el impulso, desde 100 kV/mm hasta 105 kV/mm, se obtienen
mayores ganancias en la resistencia a la falla en CA desde 45 kV/mm hasta 60
kV/mm.
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Figura 2.11. Pantallas del conductor y del aislamiento (cables LPOF): (1) papel carbón ordinario;
(2) Dúplex; (3) aislamiento; (4) cinta AL.
2.2 AISLAMIENTOS SINTETICOS
El empleo de los plásticos como polivinil (PVC), está bien establecido para los
cables de bajo voltaje. En general los plásticos cuentan con diversas propiedades
que resultan atractivas, además de su bajo costo, especialmente los valores
relativamente bajos y de la permitividad relativa. El valor para un aislamiento
papel-aceite, es de aproximadamente 0.002 y, como la pérdida del dieléctrico es
proporcional (al voltaje) a medida que el cable incrementa su voltaje (por ejemplo
hasta 230 kV, esta pérdida se vuelve de importancia crítica.
También se carga MVAr y la corriente resultante cuando la capacitancia se vuelve
alta a mas altos voltajes, requieren de la instalación a precio elevado de reactores
en derivaciones para su compensación. Esta es una función del valor de
para
papel-aceite, casi siempre de aproximadamente 3.5.
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Por lo tanto, existe un gran incentivo para desarrollar aislamientos que tengan
valores más pequeños de tan
y
. Las cintas plásticas impregnadas de aceites
constituyen una solución, lo mismo que el aislamiento solido extruido como
polietileno. El problema de inclusión de partículas y cavidades o huecos ha dado
como resultado un pobre progreso en el empleo de aislamientos de pared solida,
todavía no se han realizado comercialmente en gran escala los voltajes línea a
línea arriba de 138 kV, aunque en Francia se han mantenido instalaciones con
cada cable a 225 kV desde 1969. El desarrollo del aislamiento de aceite-cinta
plástica también han encontrado problemas casi siempre en relación con los
conectados en los efectos mecánicos y químicos del aceite sobre el plástico.
También son criticas la capacidad de las cintas de plástico para ser aplicadas por
maquinas de traslape automático (resistencia a la tensión), las propiedades
cuando el cable se desdobla (como fricción, etc.), y las reglas que dejan fuera el
empleo de algunos plásticos que pueden ser atractivos desde el punto de vista
eléctrico.
En la tabla se dan varias propiedades de los plásticos que pueden resultar de
interés. También son importantes, en el caso de cinta-aceite, las películas
entretejidas o de celulosa estructurada, como por ejemplo, de polietileno o
policarbonato, ya que en teoría combinan las ventajas del papel (permeabilidad, y
aceite en intimo contacto con el material) con las más pequeñas perdidas e
inductividad especifica de la cinta. A la fecha el material para cintas más
prometedor, es una cinta laminada de una película de polipropileno y papel
(polipropileno de baja perdida/papel o LLPP/papel). En esta se encuentran
combinadas las ventajas del papel y el plástico; estas cintas se han usado
comercialmente para la construcción de juntas continuas.
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Tabla 2.1. Materiales aislantes
Papel Sintético y Películas Impregnadas en Aceite
De los 50 materiales que se han evaluado solo dos poseen una resistencia al
impulso comparable con la celulosa: películas de polipropileno/papel de celulosa
laminado y polietileno de alta densidad. El comportamiento mecánico se puede
resumir por el uso de un factor (A) dado por (4E1EG²)¼/Ƞ, en donde E1 y E2 son
los módulos elásticos de corte, y Ƞ el coeficiente de fricción estática. En la figura
se ilustra una comparación entre diversos materiales.
Desafortunadamente, se ha comprobado que a un valor alto del factor (A)
corresponde un valor también alto del producto
tan .
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En la actualidad se realizan investigaciones con un cable que combina una cinta
de polietileno con gas SF bajo presión.
Figura 2.12. (a) Propiedades de las cintas sintéticas. (b) Resistencia al impulso (1/50 s).
(Impregnación con DDB, espesor de pantalla 0.1 mm).
Polietileno Extruido
Aunque se ha dado la debida atención a los mecanismos de falla térmico y
electromecánico, con mucho, el problema más agudo es la degradación debida a
las descargas arborescentes y parciales (corona). En cables de polietileno solido
extruido de un solo núcleo hasta 70KV (línea neutra), la tensión de trabajo media
(2.5KV/mm) ha sido hasta la fecha similar a la que prevalece en un aislamiento
solido papel-aceite (sin drenar).
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Conforme a la relación del conductor al diámetro del dieléctrico, la tensión en el
conductor es de 40-80% más alta. En Francia se están utilizando cables que
emplean polietileno de baja densidad para 225 KV (línea a línea) con una tensión
de 8 a 9 KV/mm. El polietileno unido a través permite el empleo de temperaturas
más altas (p.e. 90°C) en el conductor, debido a su capacidad para mantenerse
solido a temperaturas más elevadas que el polietileno ordinario.
Actualmente se dispone de tres materiales para fabricar cables sólidos extruidos
por alto voltaje:
 Polietileno de alta y baja tensión
 Polietileno entreverado
 Etil-propileno elástico (EPR)
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2.3 ARBORESCENCIAS EN UN AISLAMIENTO EXTRUIDO
Se han realizado investigaciones empleando un aislamiento transparente y estas
han demostrado que la formación de canales potenciales de falla adoptan la forma
de un árbol (ver figura). Con frecuencia estos árboles aparecen originados por las
descargas en las cavidades o por las partículas de impurezas. En dichas
investigaciones quedo demostrado que la humedad puede penetrar en el
polietileno extruido, siendo causa de la arborescencia. Las causas de la aparición
de la arborescencia se puede clasificar como sigue: eléctrica, agua y
electroquímica, todos ellos se inician en lugares de altas tensiones eléctricas. En
los dieléctricos orgánicos sólidos, las arborescencias parecen ser el mecanismo
más probable de falla eléctrica a largo plazo, en comparación con la falla
catastrófica más rápida. Los informes con respecto a cables de polietileno,
enterrados en forma directa, que tuvieron fallas estando en servicio y que en
algunas ocasiones presentaron arborescencias, provocan el renacimiento de gran
interés en este fenómeno, si bien las investigaciones han estado progresando
durante muchos años.
Se han observado y descrito algunas formaciones de arboles como: dendrita,
abanico, pluma, delta, arbusto, bróculi, fibra y de arco. Los arboles están formados
por canales huecos, creados por la descomposición del material como se muestra
claramente en el polietileno, mientras que los arboles de agua aparecen en forma
difusa y temporal. Se requiere una fuerza considerable para lograr la penetración
del material, la cual se inicia en una superficie imperfecta o bien en una
concentración de tensiones. Los arboles de agua al parecer no están formados de
canales permanentes, sino mas bien de trayectorias finas a lo largo de los cuales
se mueve la humedad impulsada por el gradiente de potencial.
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Figura 2.13. Progreso de una arborescencia en poli (metil metacrilato). Los puntos 1 al 28 indican
la extensión del crecimiento después de la 1ª, 2ª,-2
descarga.
Los
arboles
eléctricos
y
de
agua
crecen
a
partir
de
la
interface
electrodo/aislamiento, o bien de huecos internos o contaminantes. El termino
arborescencia electromecánica, se aplica a una arborescencia de agua cuando
esta ultima contiene iones solubles que se mueven bajo un campo eléctrico; con
frecuencia este árbol toma la forma de ―arbusto‖ o ―bróculi‖. En el análisis de
algunos cables se ha encontrado en los arboles indicaciones de la presencia de
Cu O, lo que implica que los iones de cobre se pueden mover a lo largo del
polietileno bajo ciertas condiciones. Es por esto que las cintas de cobre no se
emplean mucho en la protección de conductores. Los arboles de agua y
electromecánicos pueden crecer a niveles de tensión mucho más bajos que los
que se necesitan para los arboles electrónicos.
Los arboles que comienzan su crecimiento en las superficies con un suministro
ilimitado de aire o agua, pueden crecer completamente a lo largo del dieléctrico y
de los puentes en los electrodos; estos se conocen como arboles venteados.
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Los arboles que comienzan a crecer a partir de un hueco interno o de una
inclusión (no venteados), solo en raras ocasiones llegan a crecer mucho. Los
arboles que se forman por tensiones de CA moderadas en una interface
electrodo/aislamiento (esto es en la protección del conductor) y que contienen
imperfecciones, son causa de problemas comerciales de mayor importancia, que
los arboles que resultan de la descargas internas y de impulsos.
Las posibilidades para los mecanismos con lo que se inicia una arborescencia
(todos requieren de una elevada concentración de tensiones, que proporcione la
densidad de energía que provoque el daño) son calentamientos localizados,
descomposición térmica, daño mecánico debido a compresión, rompimiento de las
moléculas de aceite por fatiga provocada por cambios de polaridad repetidos,
presencia de pequeños huecos o inclusiones,
el desarrollo de ―electrones
calientes‖ e inyección de electrones. De estos, parecen ser que la causa más
razonable de la ionización, es la inyección de electrones. Para el polietileno de
baja densidad se requieren las tensiones en unta de alrededor de 1.2 MV/mm
(30kV/mil). Después de que el dieléctrico ha absorbido suficiente energía, tendrá
un hueco en el que se presente una descarga parcial, a partir del cual se propaga
un canal y este da lugar a un árbol. Si el hueco inicial permite la entrada de aire o
agua, su crecimiento puede originarse en un ataque eléctrico o en un ataque
químico (oxidante). Después de la creación de un hueco o canal el crecimiento del
árbol, debido a descargas parciales, constituye un proceso de erosión que se
propaga a los puntos más agudos (esto es, en los de máxima tensión).
Los intentos para eliminar las ramificaciones eléctricas incluyen el reemplazo, por
una pantalla extruida, de la pantalla formada por cintas conductoras enrolladas
alrededor del conductor, eliminando así los extremos sueltos de las
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fibras,
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mismos que con frecuencia ejercen una fuerza que tiende a sacar las capas de
aislamiento y actúan como puntas de aguja.
En el caso de que se puedan obtener enlaces justos entre las fases esta acción
resultara exitosa, de otra manera se puede intentar el empleo de aditivos junto
con el aislamiento y esto absorberán los electrones inyectados antes de que
reacciones con el aislante. Los aditivos o compuestos estabilizadores utilizados,
han sido principalmente compuestos orgánicos aromáticos alternados con
receptores de electrones,
que resultan muy efectivos para atrapar electrones
profundos. Se ha encontrado que la fenilendiamina, que se usa como antioxidante
en el polietileno, es efectiva como inhibidor de arborescencias, ya que tiene
polisufonas. También ha dado resultado el empleo de peróxidos en polietileno con
uniones transversales, pero este ha presentado muestras de ser de naturaleza
temporal.
La mayor parte de los esfuerzos tendientes a minimizar las ramificaciones
eléctricas, se han concentrado en el empleo de resinas muy limpias y en la
eliminación de la contaminación. Esto ha exigido el uso de ciertos materiales de
relleno resistentes a su propagación, como son; arcilla pulverizada, carbón negro y
cuarzo pulverizado. Sin embargo, algunos técnicos informan que el empleo de
dichos materiales no ha reportado ningún beneficio. También se ha intentado
eliminar el crecimiento de arborescencias a partir de los huecos internos, llenando
estos con aceite, incorporados en el polímero de un liquido orgánico
semiconductor, que forma una cubierta semiconductora sobre todas las superficies
libres e impide que dentro de los huecos se realicen los gradientes de potencial y
de las descargas.
En la manufactura de los aislamientos es difícil eliminar los huecos microscópicos
creados por eslabones químicos cruzados, pero se está empleando la eliminación
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del vapor como medio de transferencia de calor, en los eslabones cruzados, para
lograr la disminución de los huecos.
Se han usado diversos métodos para llegar a esto, incluyendo el empleo de aceite
o nitrógeno, sometidos a un proceso de preservación a base de radiación
infrarroja, generación ultrasónica de calor, y usando matrices muy grandes (hasta
20 m) en las que la extrusión, calentamiento y cruce de eslabones se logra en
etapas separadas.
La presencia de un campo eléctrico aumenta la penetración de la humedad en los
materiales
orgánicos,
con
resultados
nocivos.
El
polietileno
tiene
una
permeabilidad más baja para la humedad que cualquier otro plástico, excepto el
PVC. Para que crezcan las arborescencias de agua, se requiere que existan
esfuerzos de agua y de CA. Cuando la concentración de agua ocluida aumenta, el
voltaje que origina las arborescencias de agua disminuye, en tanto que para las
eléctricas se incrementa. La humedad se forma en puntos localizados de alta
tensión eléctrica, lo que da como resultado las arborescencias de agua. Tal parece
que el incremento en la temperatura tiende a acelerar el crecimiento de este tipo
de arborescencias, y el ciclo térmico que aparece es muy influyente. No obstante,
todavía no se tiene una aplicación común acerca de la formación de estas. Entre
las explicaciones propuestas se incluyen la electroforesis y la dielectroforesis,
pequeñas descargas parciales en los canales siempre llenos de agua provocan el
rompimiento de las moléculas de la misma debido a la vaporización y expansión
del agua, degradación térmica localizada, y la falla por fatiga provocada por la
repetición de las fuerzas de compresión en las regiones de alta tensión.
Los métodos que se emplean para minimizar las arborescencias de agua siguen
las mismas líneas generales de las arborescencias eléctricas. Un método que
resulta obvio, consiste en excluir la humedad y usar una funda metálica que
proporciona una barrera impermeable a la humedad. Esta solución es efectiva
pero es muy cara para emplearla en los cables de potencia. A pesar de las
dificultades para la detección causada por la opacidad.
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Se han logrado ver las arborescencias que se presentan en el etileno propileno
(EPR) y en el etileno no borneno (EPDM).
2.4 TENSIONES EN CABLES COAXIALES
Se ha detectado la existencia de tres tipos de tensiones en los cables de CA que
son: de impulso, de CA, y de origen de las descargas parciales. Los sistemas
llenos con aceite trabajan en una región de descarga libre y su diseño se basa de
la tensión de impulso, con la tensión de CA, quizá volviéndose crítica a muy altos
voltajes.
Voltaje del sistema kV
Nivel de impulso MV
Nivel de interrupción MV
138
.65
345
1.175
.095
500
1.425/1.550
1.175
765
2.2
1.675
1200
2.4
1.95
El impulso superior a (1/50µs de la forma de la onda) y un corte (200/3000µ de
forma de onda típica) a niveles de resistencia, son aspectos a considerar en los
cables. Hasta la fecha el máximo trabajo de un aislamiento sujeto a la máxima
tensión de CA., para un cable lleno con aceite, es de 150 kV/mm, con la
perspectiva de un incremento cuando se incrementa la presión de aceite. El
siguiente desarrollo se aplica a la distribución de tensiones de ―capacidad
determinada‖, es decir de CA., y sobre voltaje. Para la configuración concéntrica
que se muestra en la figura, si la carga por metro longitudinal es Q coulombs, a la
tensión
en el radio X, está dada por
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Donde
=
. El voltaje entre el conductor y la pantalla o funda del dieléctrico
exterior.
Y como
Figura 2.14. Distribución de la tensión eléctrica, a lo largo del aislamiento de un cable de un solo
núcleo, con la tensión de la distribución eléctrica radial uniforme.
Entonces
Y
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La tensión que alcanza un valor máximo en la superficie de un conductor, también
se ve incrementada por los efectos debidos al torcimiento mismo, en una cantidad
que depende del diámetro de torcedura, pero que solo alcanza un valor de 15 a
25%. Este incremento se elimina con el empleo de pantallas encintadas de papel
metalizado y con cintas de papel carbón negro o, en el caso de cables extruidos,
con una pantalla extruida de plástico semiconductor (por ejemplo cargado de
carbón). El valor mínimo de
se encuentra a partir de
cuando In(R/r)= 1, es decir R = 2.718r, cuando
, y esto sucede
. Con frecuencia óptima se
anula debido a otras consideraciones del radio del conductor.
Considerando la variación de tensiones a lo largo del dieléctrico, se puede lograr
una cierta economía en los dieléctricos a base de usar cintas más delgadas junto
al conductor y cintas de mayor grosor conforme se acerca al exterior de la
protección. Por las limitaciones para desdoblar, el diámetro exterior del dieléctrico
en sistemas autocontenidos, llenos con aceite, está limitado a 150mm. La
determinación de tensiones en cables de tres núcleos, es decir, de tres
conductores dentro de una funda, es más compleja. Sin embargo, tomando en
cuenta los voltajes que se manejan en este trabajo, solo se consideran los cables
de un núcleo simple.
Se debe tener cuidado al leer acerca de las tensiones de trabajo y de falla. En
América es común que en la práctica se considere el valor promedio de la tensión
en el aislamiento, en tanto que en la mayoría de los otros países se considera la
tensión máxima. En los dieléctricos a base de cintas la tensión máxima es la que
determina su comportamiento y diseño, por lo que se ha confirmado que es
preferible el uso de esta última cantidad. Sin embargo, algunas autoridades
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diseñan los cables de plástico extruido tomando como base la tensión promedio.
En el caso de esta tensión
Donde
Donde
está definida como
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2.5 TIEMPO DE DURACION DEL AISLAMIENTO
La duración de un sistema de aislamiento se ve afectada por un determinado
número de factores:
A) Temperatura, la cual cambia propiedades eléctricas, además afecta las
propiedades mecánicas y químicas.
B) Mecánica, debido a la diferencia de expansiones entre el aislamiento, de la
funda que cubre el conductor.
C) Mecánica, debido a las fuerzas que se originan sobre el conductor durante
las condiciones de cortocircuito.
D) Presencia de descargas parciales (de corona).
E) Oxidación, en el cual los gases volátiles se dirigen hacia afuera del
aislamiento con una mayor cantidad de carbón
F) Arborescencias.
La experiencia de muchos años tanto en muestras experimentales como cables
reales, indica que el tiempo de duración de un cable a temperatura constante está
gobernado por la ecuación empírica
= constante.
Se ha comprobado esta ley, manteniendo una tensión constante sobre el
dieléctrico y midiendo el tiempo de falla. El tiempo de duración bajo condiciones de
servicio, se obtiene por extrapolación de la línea recta que resulta de graficar log E
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contra log t. con esto se asume que la ley que se ha enunciado es válida, apoyada
en tiempos de prueba relativamente cortos para un valor de t de 30 años o más.
Figura 2.15. Curva del tiempo de vida.
Relaciones entre Tiempos de Duración y Temperaturas
El tiempo de la duración del aislamiento (tiempo de falla, es decir, ruptura) y la
temperatura, están relacionados por la siguiente ecuación:
Donde:
L= tiempo de duración en horas
T= temperatura absoluta (K)
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A y B son constantes para un material
Esta es una forma de la ecuación de Arrhenius para la velocidad de una acción
química.
Otras formas de esta ecuación son:
)
Donde
es el tiempo de duración correspondiente a una temperatura absoluta
(K)
Donde A y m son constantes y
la temperatura (°C)
Estas leyes únicamente responden a la temperatura y al tipo de aislamiento. Es
interesante examinar el tiempo de duración en temperaturas típicas transitorias
que se presentan en los cables. Considérense los aumentos en la temperatura del
aislamiento, seguidos de un cambio dado lineal o exponencial en la corriente del
conductor. Cuando se comienza a apreciar el deterioro del aislamiento, asuma que
la temperatura y el tiempo son
del periodo son
y
y
(°C y horas); las mismas cantidades al final
.
Es la máxima temperatura de estado estacionario (°C)
Constante térmica del tiempo de aislamiento (horas)
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= Temperatura en cualquier tiempo t (°C)
D = Cantidad a dimensional por medio de la cual se han evaluado los daños
acumulados del aislamiento.
La falla se presenta cuando D = 1 = Ʃ D, es decir, que la suma de los incrementos
de daños acumulados que ha sufrido el aislamiento, son superiores a su tiempo de
duración.
El daño dD se presenta sobre el tiempo dt, y cuando dt = L, Dd = 1, de aquí que
La cual es función únicamente de la temperatura, es decir, f ( ). Considerando
que la temperatura lineal aumenta en el tiempo t.
Donde
= temperatura inicial,
= temperatura final,
= tiempo a
Tiempo de Duración del Aislamiento de Papel de Celulosa
El papel de celulosa sufre una disminución en resistencia mecánica debido al
envejecimiento térmico, en el que se liberan algunos gases como el CO y el
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.
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En la actualidad se acepta que la temperatura de operación del aislamiento de un
cable lleno con aceite, no debe exceder de 85°C.
Sin embargo, por razones económicas, es de interés considerar el uso de
temperaturas mayores, como por ejemplo 100°C, durante lapsos de corta
duración. Después de ciertos periodos en los que las cintas de papel de celulosa
soportan una temperatura dada, los siguientes parámetros son importantes:
coeficiente de fricción, resistencia a plegarse, resistencia al rompimiento,
resistencia a la tensión, expansión de una rotura, resistencia al desgarre y grado
de polimerización. Durante el proceso puramente térmico, solo se producen cuatro
gases, estos son
, metano e hidrogeno en las razones de volumen
respectivamente.
En el futuro tal vez será posible determinar el estado físico del aislamiento, por
medio de un análisis de los gases contenidos en el aceite, siempre y cuando se
tenga un conocimiento previo de la historia térmica. Sin embargo, actualmente
esto no es del todo cierto. El criterio del tiempo de duración de un cable se puede
considerar de dos formas: (a) el tiempo que tarda en alcanzar el 10% del valor
original de cualquiera de sus características mecánicas o químicas; o (b) el tiempo
que tarda en saturar el impregnante en CO (el gas menos soluble).
Predicción de la Duración del Aislamiento-Empleo de Métodos Estadísticos
Es importante realizar la predicción del tiempo de duración del aislamiento, a partir
de los resultados que se obtienen de un modelo de prueba estudiado a tensiones
de operación más altas. Por lo general, la tensión de ruptura del aislamiento de
plástico extruido, presenta una mayor dispersión que el aislamiento a base de
cintas (como el papel/aceite), por lo que es esencial el empleo de métodos
estadísticos. Se puede aplicar la distribución de Weibull, cuando la presencia de
un evento en cualquier parte del objeto, significa la falla del mismo, considerando
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como un todo. En el contexto del cable, la ruptura se relaciona con el punto de
máxima fragilidad.
Si se grafica el log (por ciento de falla) contra el log (tensión de ruptura), se
obtiene una línea recta para los aislamientos. La probabilidad de falla
Donde:
P (E, t) Es el porcentaje de fallas a tensión E en el tiempo t
a Es el factor determinante de la distribución
b Es la pendiente de la línea Weibull
k Es una constante
En los cables aislados con polietileno el voltaje de ruptura es función de los
contaminantes, huecos y escalones en la cubierta del conductor (provocan un
desprendimiento del material aislante). La tensión en un desprendimiento depende
de su forma y tamaño. La relación de la máxima tensión en la punta de uno de
ellos, a la tensión que debe existir en el mismo punto si el material no ha sido
arrancado, varia groso modo, de 80 para desprendimientos anchos y largo, hasta
aproximadamente 6 para uno semiesféricos. Además de los desprendimientos y
de los contaminantes, se puede iniciar la ruptura partir de las descargas que se
presentan en los huecos o cavidades. Por medio de la ley de Paschen se puede
calcular la influencia del diámetro de un hueco esférico sobre el voltaje que origina
la descarga.
La ionización de los huecos o en el aislamiento da lugar al voltaje de ruptura y, si
es la carga critica de ruptura acumulada en el tiempo t, entonces
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Es la constante que depende de la imperfección
Es la tensión de voltaje máxima en la imperfección
Es la tensión que origina la descarga en la imperfección
Es el tiempo de ruptura
Es una constante
Cuando
Y como
, es por lo general constante (
es la tensión promedio en el
aislamiento, la cual se aproxima al valor en el punto considerado, sin la
imperfección), entonces
es una medida del nivel de imperfección o contenido
del aislamiento. El exponente n define la pendiente de la curva de expectación del
tiempo de duración y se puede modificar si se cambian las condiciones de
ionización dentro de los espacios intermoleculares.
Debido a que las imperfecciones se representan al azar, por lo general se obtiene
una distribución estadística de los voltajes de ruptura con el tiempo, cuando se
utilizan muestras cortas del cable (unos pocos metros de longitud) para predecir el
tiempo de duración del cable. La distribución estadística de Weibull se aplica como
sigue:
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Si se desea comparar las pruebas del modelo con el comportamiento de un cable
de operación, para la misma probabilidad de ruptura, entonces
Donde
Son las tensiones del cable en operación y del modelo de prueba
Son las longitudes del cable en operación y del modelo de prueba
Son los radios del cable en operación y del modelo de prueba
Y el subíndice 0 se refiere a la muestra del modelo del cable de prueba. En la
figura se ilustra una grafica de Weibull para muestras de polietileno. El valor de la
pendiente (b) es 7. Con frecuencia
forman un grupo de parámetros
que se escogen de tal manera que el valor de P sea de 63.2%.
Se llama a el exponente del tiempo y b el exponente de la tensión.
Para establecer los valores de a, b y la tensión característica
, se realizaron dos
pruebas (para P= 63.2%). Una prueba de paso fue para obtener los valores de a y
, y la otra fue una prueba del tiempo de duración para obtener el valor de b.
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Figura 2.16. Grafica de Weibull- probabilidad de ruptura del aislamiento de un cable de polietileno
entrecruzado. (a) Cables curados con vapor, (b) pequeñas muestras preparadas en el laboratorio.
En la práctica, se puede interpretar los resultados de este modelo para la longitud
total de los cables. Con los cables en servicio el interés radica en establecer las
relaciones de falla de cada 1600 km (1000 millas) por año, en tanto que es posible
que las pruebas estadísticas impliquen solamente algo así como 0.3 km de cable
por año, esto es 0.02% del total. Por lo tanto, es necesario manejar con sumo
cuidado la extrapolación de los modelos de prueba para predecir el
comportamiento de la longitud total del cable. Sin embargo, los modelos de prueba
y las técnicas relacionadas resultan de gran valor en la comparación de
aislamientos, o innovaciones.
En la Figura 1 se muestra una forma típica de la distribución de impurezas. En el
tiempo de duración de un cable existen tres regiones distintas, los cuales
corresponden a diferentes procesos de envejecimiento; en la Figura 2 se muestran
dichas regiones. Para altas tensiones, la medida de las impurezas (sobre todo las
que son guiadas en forma material), tienen una gran influencia en la ruptura; esta
es la región (l) en la Figura 2.
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Bajo estas tensiones es poca la influencia de las impurezas y tiene lugar el
proceso de descarga parcial (de corona) que se representa en la región (ll). Para
finalizar en la región (lll) la tensión es inferior al nivel de descarga parcial y no
existe un deterioro efectivo del aislamiento.
Figura 2.17. Distribución de impurezas en el polietileno:
numero de impurezas por unidad de
volumen;
maximas dimensiones de la impureza.
Se ha propuesto una expresión que representa las relaciones implicadas en la
Figura 2, esta es:
Donde E, es la tensión que da origen a la descarga y
Si
un intervalo de tiempo.
, la ecuación que se obtiene se relaciona con la región de
descarga parcial (ll), conforme t tiende a cero, E tiende a valor de la tensión
eléctrica
intrínseca
del
aislamiento.
Esta
ecuación
da
una
razonable
representación cualitativa del proceso de envejecimiento.
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Figura 2.18. Curva teórica del tiempo de vida para un cable aislado con polietileno AB= nivel de
impurezas; CD= origen de la descarga parcial (de corona).
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2.6 DESARROLLO FUTURO DE LOS CABLES LLENADOS CON ACEITE
Con la cantidad de transmisión incrementada a 765 kV (en especial en
Norteamérica), y con el posible empleo de sistemas de voltajes dentro de un
intervalo de 1000 a 1500 kV, con frecuencia de potencia hasta de 5 GW es,
necesario revisar la posibilidad de emplear cables llenos de aceite para estas altas
capacidades de norma. En vista de la experiencia obtenida en el curso de muchos
años con el empleo de los tipos principales de cables llenos de aceite, su uso en
estos niveles debe resultar ventajoso.
En la tabla se establece una comparación entre la línea aérea normal de 400 kV
británica y los cables autocontenidos. A un cuando la longitud de cable instalado
hasta la fecha en Gran Bretaña es todavía pequeña, es probable que en este país
se tenga mayor experiencia con respecto a la transferencia por cables
subterráneos de alta potencia que la que se tiene en cualquier otra parte. A partir
de esta tabla, se establece que los mayores requerimientos para los cuales son:
(a) Mayor reducción en el costo
(b) Mejoramiento en la confiabilidad
(c) Mayor incremento en la capacidad de norma
En el pasado se han logrado reducciones en costo por diferentes formas tales
como: conexiones cruzadas (probablemente la más importante), conductores
largos Milliken, fundas de aluminio, aumento en la tensión máxima y enfriamiento
intensivo. Para lograr la capacidad de norma dada en la tabla con enfriamiento
natural, se requieren tres cables por fase con enfriamiento a base de dos tubos de
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agua separados, y con enfriamiento integral (de superficie), un cable por fase. Las
razones de costo correspondientes de reactancia en serie son 2.2: 1.6: 1.0
Tabla2.2. Parámetros básicos de un sistema de 400 kV, circuitos británicos.
Las bases de la capacidad de norma se pueden examinar desde un punto de vista
critico, en especial las condiciones de carga precisa. En el presente un cable de
alta potencia transmite su energía de capacidad de norma solo en forma
ocasional, como en condiciones de carga máxima, el envejecimiento de los
circuitos resulta oneroso y cuando su reforzamiento es inminente. También se
puede usar la constante térmica de tiempo de cable para obtener una capacidad
de norma basada en el ciclo de carga diario, si este último está bien definido. El
empleo de enfriamiento artificial junto con su equipo asociado llevan consigo un
mayor grado de no confiabilidad, aun cuando las dos terceras partes de la
capacidad de norma se puede obtener con un enfriamiento ineficaz. También con
el uso de más de un cable por fase, una falla en los cables es susceptible de
aislarse y el circuito puede continuar funcionando a una potencia reducida.
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Como se observo en el Capitulo 2, a voltajes más altos es necesario reducir
(
del aislamiento. A pesar de que hay un desarrollo de muchos años,
este no ha sido debidamente aprovechado para lograr la evolución de las cintas de
plástico y desplazar las de papel. El valor de Єr para el polipropileno es de 2.3 y
este, junto con el del papel, da un valor de 3 para el papel- polipropileno laminado.
Como la tensión en el dieléctrico varia conforme 1/Єr aumenta, se considera que
esta propiedad reside en el polipropileno que tiene una tensión máxima de 25.5
kV/mm (650 V/mil) comparada con la del papel que es de 16.7 kV/mm (425 V/mi).
Por lo tanto para un voltaje dado se requiere un menor espesor de dieléctrico y
esto da por resultado una menor pérdida debido a la capacitancia (Єr) y tan
más
bajas. Del menor espesor de la pared también resulta una menor resistencia
térmica y un aumento en la capacitancia de norma de la corriente. Sin embargo,
debido al engrosamiento del polipropileno (en aceite) en la dirección radial y a la
perdida de laminado relativamente alta (alrededor de la mitad de papel), se debe
procurar un mayor empleo del papel de celulosa en las cercanías del conductor,
donde los requerimientos mecánicos son severos y se necesita que la pérdida del
material remanente sea baja.
Cables LPOF Autocontenidos
Debido al aumento de la presión de aceite, se puede incrementar la resistencia del
diseño de impulso, por decir, de 95 a 110 kV/mm, con lo que la tensión a la CA
aumenta a 30 kV/mm (esto supone una tensión de diseño con un valor
aproximado igual a la mitad del valor de ruptura real). En la región UHV de la
tensión a la CA se vuelve dominante debido al sistema BIL artificialmente
reducido. Existe el antecedente de tales altas presiones (hasta 30 atmosferas) en
los enlaces submarinos y en los túneles verticales profundos.
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En un informe sobre el diseño para 765 Kv, se uso un espesor de cinta de 80, 110,
140, 170 y 200 en ese orden, del conductor a la pantalla. La viscosidad del aceite
es de 5 centipoise a 20°C, el aceite tiene buenas propiedades de absorción de
gas. El BIL para 765 kV es de 2100 kV y con un área del conductor de 1100 mm²,
el radio del conductor exterior es de 43 mm.
De aquí que
Donde R= radio del dieléctrico de la pantalla. Esto da un valor R de 57 mm en el
dieléctrico y de 58 mm aproximadamente para la pantalla. La tensión en CA
correspondiente es de 21 kV/mm.
Donde
= resistencia térmica total del conductor al ambiente y
dieléctrico =
por fase, donde
= perdida en el
tension en el
conductor para un diámetro minimo.
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DESCRIPCION DE LINEAS DE TRANSMISION SUBTERRANEA DE 115-135 KV
Accesorios
Se han considerado dos tipos de extremos sellados de capacitancia graduada y de
cono de tensiones convencional. También se ha considerado que ambos tipos
deberán probar que son adecuados para cables autocontenidos de 765 kV; para
voltajes superiores, es probable que solo sea adecuado el tipo de capacitancia
graduada. Tanto las juntas continuas como las de detención deben ser de diseño
convencional; las juntas continuas tienen un casquillo embutido y grandes
aberturas de aceite en el aislamiento exterior.
Cables Tipo Tubo
Se han estudiado diversas posibilidades para mejorar la capacidad de norma y la
economía. El enfriamiento artificial por medio de circulación de aceite permite
calcular la capacidad de norma con el valor promedio de la resistividad térmica del
terreno, en lugar de utilizar el valor máximo. Además, la disipación de calor se
obtiene del tubo de aceite de retorno. En la capacidad de norma se obtiene un
incremento total del orden de 40% comparado con el enfriamiento natural. Como
la presión normal de operación es de
, y la presión
de diseño es el doble, existe una amplia tolerancia para la caída de presión en el
bombeo. En los cables tipo tubo en los que se emplea convección natural, el
mejoramiento en la capacidad de corriente, que resulta de un posible progreso en
el aislamiento de polipropileno/papel, puede quedar encubierto por la elevada
resistencia térmica del tubo a tierra. Sin embargo, con bombeo forzado de aceite
la ganancia se vuelve más significativa. El desarrollo tiende al empleo de cables
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tipo tubo para voltajes de 500/550 kV y superior; muchas de las pruebas se han
realizado en el Underground Transmission Test Facility en Waltz Mill, Pensilvania.
Capacidad Óptima
En el capítulo 3 se estudio el análisis térmico de la operación de estado
estacionario del cable tipo tubo. Una alternativa en el empleo del cable
autocontenido está dada por
Donde
y
son constantes de proporcionalidad que dependen de los
parámetros del cable, y
son voltajes del sistema (kV) la corriente máxima
(kA). La capacidad de norma MVA es
y esta alcanza el valor máximo cuando
d(MVA)/ = 0, condición para la cual
Dando
El valor
se presenta cuando la temperatura cae debida a que la perdida
dieléctrica iguala la perdida debida a
lo que depende del factor carga.
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En un estudio por computadora se publicaron los límites técnicos que se
establecen las relaciones entre el espesor del aislamiento, el voltaje y la medida
del conductor.
Los parámetros del cable papel/aceite, objeto del estudio, siguen la práctica
normal, por ejemplo, temperatura del conductor 85°C, factor de carga 75% (factor
de perdida 62.5%),
0.9°C-m/W, difusividad del terreno 45cm²/hora. Para
enfriamiento forzado se considera fija la temperatura de la protección en 40°C, lo
que constituye una restricción. El tubo se entierra con su eje a 0.92 m (36 pulg.)
bajo la superficie. En la figura 2.19 se muestra la variación del voltaje del sistema
con el espesor del aislamiento, para un espesor de pared AEIC de norma. Estas
normas (Association of Edison Illuminating Companies) recomienda la tensión
promedio en el intervalo de 5.5-7.9 kV/mm para cables de 69 a 345 kV;
aparentemente 11.8 kV /mm es un límite superior razonable.
El empleo de este valor en proyectos de enfriamiento forzado dan un espesor de
aislamiento a 53.5 mm (2.1 pulgs.), y un voltaje de 1085 kV.
Una restricción para el diámetro del núcleo aislado es el diámetro mínimo de
flexión permisible. Se ha aceptado que un diámetro de carrete mayor de 3 m (10
pies), da un diámetro de cable de 150 mm (6 pulgs.). En la figura se muestra la
relación entre el diámetro de carrete y el diámetro del cable para cables tipo tubo,
de acuerdo con las normas AEIC.
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Figura 2.19. Voltaje (norma AEIC) como función del espesor del aislamiento. Cable tipo tubo,
conductor de 1000mm², tan 0.0018
En la figura está dada la capacidad de norma MVA máxima para sistemas de
enfriamiento forzado, tomando como base el espesor del aislamiento AEIC, para
varias medidas de conductores.
En forma general se puede concluir que las capacidades de norma más arriba
1GVA son improbables en cables auto enfriados, pero es posible llegar mas o
menos al doble con enfriamiento forzado. Con auto enfriamiento no tiene objeto
incrementar los voltajes mas alla de 500 kV sin recurrir a las cintas de plástico o
de plástico/papel. Si se aplica enfriamiento forzado a las instalaciones existentes
se pueden obtener capacidades de norma hasta 1.5 MVA. Es necesario hacer
hincapié en que los anteriores resultados optimizados son técnicos pero no
económicos. Tampoco se ha tomado cuenta de la compensación reactiva. La
sanción en términos de la capacidad de normas en el uso de los cables tipo tubo
comparados con los cables autocontenidos, es muy evidente en lo que se ha visto.
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Figura 2.20. Diámetro mínimo de carrete como función del diámetro del cable, para cables HPOF
tipo (de acuerdo a la norma AEIC Numero 2-67, sección 12.31), medida del conductor 1000 mm².
Figura 2.21. Variación de la capacidad de potencia con la medida del conductor, conforme a la
norma AEIC en los cables HPOF, tipo tubo, diseñados con enfriamiento forzado a base de aceite.
3.5, tan 0.0018 temperatura de la protección 40°C.
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Pruebas en el Sitio de Pruebas de Waltz Mill
En Waltz Mill se tiene una capacidad de 1100 kV, y las pruebas se pueden realizar
en sistemas de transmisión de CA de 138 kV hasta 1100 kV (excluyendo las
pruebas de sobre voltaje por conexión e impulso).
El diseño de 550 kV, bajo prueba, tiene conductores con cuatro segmentos
(aislados en forma alterna); la protección del conductor es de papel metalizado o
de papel carbón negro y cintas de cobre estañadas. El espesor del aislamiento es
de 34 mm y los alambres rolados son de polietileno de alta densidad.se usan
aceites de polibutano o parafinicos.
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3.0 FUNCIONAMIENTO TÉRMICO
La transmisión eléctrica
normalmente es de la incumbencia del ingeniero
electricista, quien se encuentra familiarizado con los conceptos de los capítulos
previos. El área general del funcionamiento térmico, al abarcar como le
corresponde, la transferencia de calor en equipos complejos. Representa un
aspecto menos familiar para la mayoría de los lectores de este libro. Ye se ha
hecho énfasis en que la limitación básica en la facultad que tienen los cables
subterráneos convencionales para transportar potencia, es la capacidad de
transportar corriente o amperaje; ésta la determinan las limitaciones de corriente.
La dependencia de tiempo de duración del aislamiento con respecto a la
temperatura se ha considerado con algún detalle en el Capítulo 2. Implícito en
estas consideraciones se encuentra el método de instalación de los cables, esto
es, si se entierran en forma directa, en ductos bajo el agua, sobre la tierra o en
túneles. La mayor dificultad se encuentra en las cercanías del cable cuando se
predice la máxima temperatura en el aislamiento debido a las muchas variables
que presenta. La temperatura ambiente, que depende como es natural de las
instalaciones y del tiempo, influye en la corriente permisible. En Europa esto
presenta una ventaja, ya que las cargas máximas se presentan en el invierno,
cuando es posible soportar un mayor aumento en la temperatura. Sin embargo, en
Norteamérica con frecuencia la situación se invierte, con las cargas máximas
(debidas al aire acondicionado) que se presentan en el verano cuando existe una
restricción en el aumento de temperatura.
Las cargas de los sistemas de potencia por lo general son cíclicas hasta cierto
grado, y este hecho se puede usar con ventaja para obtener la más alta
evaluación posible en un circuito subterráneo. Aunque la clasificación se usa para
decidir sobre un tipo de cable y su medida para una trasmisión de carga dada, es
conveniente usar el cambio lento de la temperatura de respuesta que tiene un
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sistema enterrado, para reducir la medida de los filamentos del conductor en la
situación normal de dos circuitos en paralelo.
Lo anterior se ilustra en la Figura 3.1, en la cual cada uno de los circuitos paralelos
es proporcional a la corriente de carga completa (I) y por lo general cada uno
transporta (I/2). Con un cable fuera de circuito, el otro transportará su corriente
proporcional. El empleo de las características temperatura-tiempo, muestra en
forma aparente que si la reparación del circuito se puede realizar en un período de
pocas horas, cada cable puede ser de régimen más bajo, de lo que resulta una
ventaja económica. Sin embargo, las reparaciones de los circuitos subterráneos
requieren tradicionalmente de períodos más largos, mucho más que los que
necesitan para las líneas aéreas.
Figura 3.1 Empleo de grandes constantes tiempo-termicas en sistema de cables enterrados.
Formados por dos circuitos en paralelo. (a) Cable calculado para 21/3 pero que transporta 1.
En virtud de que en la práctica es muy difícil medir las temperaturas más altas que
se presentan en el aislamiento de un cable en las instalaciones comerciales, al
voltaje del trabajo, con frecuencia se usa como monitor la temperatura de la funda.
Por lo tanto, la predicción segura de las condiciones térmicas en un sistema de
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cables es de primordial importancia. Esto resulta claro si se considera que en los
costos de capital a los niveles de voltaje y potencia que se estudian, la mínima
diferencia en la clasificación predicha representa considerables sumas de dinero.
Por lo tanto, es esencial que el proceso del cálculo y selección de modelo se haga
lo más seguro y realista que sea posible. Con frecuencia esto se dificulta por la
inestabilidad del medio que rodea al cable y en la última década, se han dedicado
enormes esfuerzos a nivel internacional para lograr este objetivo.
3.1 CALCULO DE LA TEMPERATURA Y DEL FLUJO DE CALOR-IDEAS
BASICAS
La ecuación θ =RTq, relaciona el aumento de temperatura θ (°C) a través de una
resistencia RT (°C/W), con una velocidad de flujo de calor q (W). Cuando los
ingenieros electricistas realizaron inicialmente los cálculos térmicos, mostraron
hacia la unidad de resistencia térmica una adhesión tan grande como la que
tenían por la ley de Ohm., al grado de que fue conocida como ―térmica de Ohm‖.
También,
Para un sólido de sección recta constante A (m2), donde g = resistividad térmica
(°C-m/W) y ℓ = longitud (m). En la tabla 3.1 se dan los valores de la resistividad
térmica (g) para diversos materiales idóneos en la ingeniería de cables.
A la facultad de un material para almacenar calor, se le llama capacidad térmica
(C), y C (J/°C) = Masa (kg) x Densidad
p
(kg/m3) x calor especifico cp (J/kg °C). La
cantidad de calor almacenada, Q (J) = C θ. Esta relación es análoga al
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almacenamiento de electricidad en su capacitor. El calor se disipa de las
superficies de enfriamiento por radiación y convección (libre o forzada).
Tabla 3.1 Resistividades termicas
La forma más simple de las condiciones térmicas transitorias, resulta ser la
aplicación de una función de paso con un calor q (debido a las pérdidas de I2 R,
magnética, o dieléctrica) en un cuerpo de capacidad térmica C, el cual disipa calor
en un medio de enfriamiento a través de un coeficiente de transferencia de calor h
(W/m2 °C). Este último se puede remplazar usando resistencia térmica, RT = 1/hA,
donde A es el área de un cuerpo en contacto con el refrigerante. Esto sirve como
muestra de que la relación entre el aumento de temperatura y el tiempo es:
θ = θm (1-e-t/T)
donde θm es el aumento de temperatura de estado estacionario (θm = q RT) T es la
constante de tiempo. En la figura 3.2 se muestra la interpretación grafica de la
constante de tiempo. En la figura 3.3 se ilustra el equivalente térmico de una red.
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En la figura 3.4 se ilustra la respuesta de una red simple R – C a una carga que
varia con el tiempo, en el cual
T
es la constante tiempo-térmica y θm1, θm2, θm3 son
las temperaturas que corresponden a las diferentes corrientes de carga.
Figura
Relación
3.2
temperatura-tiempo para la aplicación de una parte de la función del modelo térmico de calor
básico.
Figura 3.3 Representación de una red térmica básica.
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Figura 3.4 Curvas de aumento de temperatura con variación de la carga.
La mayoría de los componentes de un equipo de potencia poseen las
características aumento de temperatura- tiempo, por lo que tienen más de un
término exponencial. Cuando hay escape de calor, es frecuente que se tenga la
impresión de que el aumento en la temperatura no es muy grande conforme a la
escala de tiempo que se usa, que por lo general son pocas horas. Sin embargo, es
muy posible, que la temperatura continúe aumentando en forma apreciable
durante un tiempo considerable. En los cables enterrados, por ejemplo,
transcurren muchos cientos de horas antes de que se alcancen las condiciones
estacionarias.
Carga cíclica
En la figura 3.5 se muestra los efectos de una carga que se repite en forma
regular. Con objeto de simplificar el análisis del equipo, se supone que solo tiene
una constante de tiempo simple. De la figura 3.5, durante el calentamiento
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θ2 – θ1 = (θm – θ1) (1 –
durante el enfriamiento
θ1 = θ 2
A partir de estas
θ2 - θ2
por lo cual
θ2 = θm
.
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(3.1)
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Figura 3.5 (a) Ciclo carga-sin carga, (b) Curva de temperaturas correspondientes.
En todas las ecuaciones anteriores se ha supuesto que las pérdidas son
constantes. En la práctica, la perdida debida a I 2R aumenta a medida que sube la
temperatura debido a la resistencia del coeficiente de temperatura. Por lo general
se forman de una constante más una parte variable, esto es, q θ + a θ.
Lo anterior constituye la representación más simple y, en la práctica, la ecuación
temperatura-tiempo contiene diversos términos exponenciales y constantes de
tiempo compuestas como sigue:
Θ= A1 (1 -
...
Esta ecuación es típica para un conductor transitorio en un cable autocontenido
enterrado. En algunas ocasiones no es suficiente la idea de una red térmica
equivalente y se requiere la solución de campo térmico total. Esta situación se
presenta cuando se consideran temperaturas en juntas y terminales con un flujo
de calor tridimensional.
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3.2 RESISTENCIAS TERMICAS
En esta sección se dan los métodos de cálculo de resistencia térmica que existen
para los sistemas de cables. Se ha procurado evitar la excesiva complejidad y
refinamiento, por lo que se ofrece a los lectores una bibliografía a la que pueden
recurrir en caso de necesitarlo.
(i) Dieléctrico con un arreglo concéntrico de funda-conductor. (Figura 3.6)
Esto representa la mayor resistencia interna en un cable de un solo núcleo, siendo
el tipo que se usa casi en forma exclusiva en la transmisión principal de energía.
Se aplica a cables autocontenidos y a núcleos individuales con pantalla, dentro de
un sistema tipo tubo.
La resistencia térmica de un elemento anular del dieléctrico de radio y espesor dx
es
donde
es la resistividad térmica del dieléctrico, y la resistencia térmica total del
conductor con respecto a la funda o pantalla, está dada por:
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(3.2)
Esta fórmula también se puede usar para la funda, la cama de capas y la cubierta
protectora.
Figura 3.6 Resistencia termica de un cable de nucleo simple.
(ii) Resistencia eléctrica de los alrededores del cable.
Se supone que los cables se entierran en forma directa y que la trinchera se
rellena con la tierra original, esto es, que quedan colocados en un medio
homogéneo semi-infinito. También se supone que la superficie de la tierra es un
plano isométrico. La resistividad térmica (g) del suelo varía en forma muy amplia
conforme a la naturaleza del suelo (arcilla, arena, etc.) y a su contenido de
humedad. Los valores de g que se toman con más frecuencia son 1.2 °C-m/W y
0.90 °C-m/W. En diferentes países se usan valores que varían un poco, pero esto
es en la región superior. La política que se sigue para dar las especificaciones de
un cable, es la de realizar un estudio de la resistividad térmica de la ruta
propuesta. Esto dará relieve al punto de mayor valor de g, que es la cantidad que
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se debe de utilizar para calcular la clasificación de la corriente. Por el contrario, el
valor medio de g es de poco uso, ya que es la sección más caliente del cable que
debe fallar. Además, la conducción longitudinal es de cantidades muy pequeñas
de calor, a partir de las secciones de más alta temperatura.
Se puede encontrar la resistencia térmica externa de un sólo cable o tubo, si se
considera la imagen de la línea fuente-calor en el campo térmico que se ilustra en
la figura 3.7. Si q watts es la pérdida total de un metro de cable, la diferencia de
temperatura entre la superficie externa del cable y la superficie de la tierra está
dada por,
donde el valor h es por lo general de 1m. Por lo tanto, la resistencia térmica
externa está dada por
°C por metro de longitud
(3.3)
Figura 3.7 Metodo de las imágenes para determinar la resistencia termica debida al terreno que
rodea un cable (radio r).
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Figura 3.8 Metodo de las imágenes para determinar la resistencia termica externa de un grupo de
los cables enterrados.
Se ha empezado a usar el método de imágenes para diversas cargas semejantes
en un grupo de cables similares, los cuales no se tocan entre sí. Considerando la
figura 3.8, el aumento de temperatura de un cable que pertenezca a un grupo,
está dado por su propio aumento independiente y el debido a cada uno de los
otros cables. El aumento de temperatura en la superficie del cable l, debido a una
pérdida de q watts por metro en el cable k, está dado por
.
Además, el aumento de temperatura de l, debido a la perdida q en m, es
.
De aquí que el aumento de temperatura de l, debido a tanto a k como a m, es
.
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Por lo tanto, el aumento total de temperatura del cable l será
.
Para la conocida configuración de tres cables colocados en una formación
horizontal, con un espacio a entre los centros de cables adyacentes y enterrados a
una profundidad h,
De aquí
.
(3.4)
La resistencia térmica efectiva del cable del centro del grupo es
El método de las imágenes se puede aplicar a una fuente múltiple, en la que todos
los elementos estén sumergidos (por ejemplo, tubos con enfriamiento a base de
agua), pero se derivan grandes problemas de la reflexión de las imágenes,
haciendo que estos requieran de una gran cantidad de cálculos. En general, para
varios cables colocados a diversas profundidades, la resistencia térmica efectiva
de un cable de referencia (normalmente más caliente, que resulta también el
central está dada por
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Donde
= a la distancia del cable de referencia a al cable vecino b y d’’ab = a la
distancia del cable a hasta la imagen b, y así sucesivamente con respecto a los
cables c, d, etc. Cuando los cables afectan una formación trébol, la resistencia
térmica efectiva de cualquiera de los cables está dada por
donde h está medida al centro del grupo en forma de trébol. La ecuación contiene
a los vértices tanto superior como inferior. Las unidades de g están dadas en °C –
cm/W.
En los cables tipo tubo es fácil calcular la resistencia térmica de la pantalla del
cable, lo mismo que la resistencia del tubo al ambiente. No obstante, es más
complejo el cálculo de la resistencia media efectiva de las pantallas del cable al
tubo, implicando la convección natural en el espacio del aceite.
En forma similar se puede evaluar la resistencia correspondiente en ductos de
aire. Para valores del diámetro equivalente (De) de núcleos aislados que van de 75
a 125 mm, la resistencia térmica efectiva de la pantalla del cable a la pared del
tubo, está dada por
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Para tres núcleos contenidos en un cable tipo tubo, De = 2.15 x diámetro exterior
del tubo (cm); para dos núcleos De = 1.65 diámetro exterior del núcleo (cm);
es
la temperatura media (°C) del medio de llenado, (por ejemplo aceite). En la tabla
3.2 se dan los valores de A, B, y C. Inicialmente se toma un valor supuesto para
y se sigue un proceso repetitivo. Se puede hacer una aproximación mas
fundamentada si se usa la fórmula para la convección natural. Como la formula
(3.5) es empírica, se deberá usar con precaución para dimensiones fuera del
intervalo propuesto.
Tabla 3.2 Constantes A B y C
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3.3 CARACTERISTICAS DEL TERRENO
En los sistemas autocontenido y tipo tubo, la resistencia térmica del suelo es un
componente significativo de la resistencia del conductor-ambiente. Es por esto que
es vital un conocimiento preciso de las características térmicas del suelo. Una
característica importante de algunos suelos es el incremento de la resistividad
térmica cuando están secos. Este proceso a su vez, aumenta la temperatura del
cable lo cual crea un aumento en la pérdida dieléctrica y en menor extensión en la
pérdida de cobre; esto provoca un aumento de la humedad migratoria. Un posible
resultado de todo esto es la inestabilidad térmica y la falla eléctrica del
aislamiento.
La clasificación del suelo comprende varios tipos, por ejemplo, de yeso, artificiales
y arcillosos. La presencia de una cubierta impermeable, de un material tal como el
tarmac o el concreto, tiende a impedir la evaporación afectando el contenido de
humedad y por lo tanto la resistividad térmica. Se ha reservado el término ―relleno
de respaldo‖ para el material que se encuentra inmediatamente en los alrededores
del cable subterráneo. Los rellenos especiales de respaldo son tales que aun
cuando estén completamente secos, su resistividad no excede de los valores
acordados. De aquí que el uso relleno especial se hace con frecuencia, más para
asegurar la estabilidad del medio, que para reducir el valor de la resistencia
térmica. El trabajo inicial en el proceso de secado, indica que la superficie del
cable o tubo no debe exceder de 50°C en verano.
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Existen dos clases principales de relleno de respaldo:
(a) Arenas seleccionadas (resistividad en estado
seco 2.7°C-m/W). Este
material tiende a proporcionar mayor cohesión. Se requiere alta densidad,
lo que implica un mayor grado de compactación en la instalación.
(b)
Rellenos
estabilizados,
esto
es,
compuestos
seleccionados que dan una resistividad en estado
de
materiales
seco 1.2 °C-m/W.
Es improbable que se pueda obtener resistividad en estado seco con un valor tan
bajo como ese, por lo que se requiere la elaboración de mezclas y éstas son:
Cemento ligado con arena en proporción de 1:14 en volumen.
Grava o guijarros/arena, en proporción 1:1 en peso; la medida de los guijarros no
deben exceder de 10mm. Y de preferencia deben ser de forma redonda.
Suelo bituminoso ligado con arena en proporción de 1:9 en volumen.
Se propuso en Inglaterra la siguiente política con respecto a los suelos y los
rellenos: Durante el invierno se supone una resistividad de 1.05°C-mW en todos
los suelos y rellenos (incluyendo los canales – ver más adelante); durante el
verano la resistividad supuesta es de 1.20°C-m/W. dado q ni los suelos ni lo
rellenos están totalmente secos.
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En caso de que si el suelo sí lo esté, la resistividad considerada, es de 3.0°C-m/W,
en tanto que para los rellenos de arenas seleccionadas es de 2.7°C-m/W, y para
los rellenos estabilizados es de 1.20°C-m/W. Para mayor claridad al respecto, se
recomienda no investigar la resistividad durante el invierno, sea mayor de 1.5°Cm/W. Por la falta de un conocimiento preciso, con respecto al comportamiento del
suelo en la práctica, el establecimiento de un código debe tender a la
conservación natural. Este conocimiento es difícil de obtener debido a las
siguientes razones prácticas:
a) Pocos cables conduce una carga total. Por lo que es escasa la
experiencia para proporcionar datos útiles de los defectos a largo plazo.
b) Pocas instalaciones tienen dispositivos para verificar las temperaturas.
En la Figura 3.9 se ilustran las dimensiones de los fosos con relleno especial para
sistemas autocontenidos. No se puede calcular la resistencia térmica efectiva de
una instalación formada con rellenos especiales y terreno local a partir de la
ecuación 3.4, por lo que es necesario hacer un plano de todo el campo. Sin
embargo, en el ejemplo 3.2 se da un método para determinar la Resistencia
térmica efectiva, cuando los cables están rodeados por una sección rectangular de
material que tiene una resistividad térmica distinta a la del terreno. En este caso
particular se hace referencia a un ducto colocado en concreto, pero se pude
aplicar a cualquier otro material.
Se ha investigado la posibilidad de controlar la sequía del suelo y, por lo tanto, su
resistividad térmica, instalando a lo largo de la ruta rociadores de agua controlados
de manera automática. Al agregar agua, se debe tener cuidado de hacerlo de tal
forma que no se deslave la pared del suelo alrededor de los cables o del tubo.
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Figura 3.9 (a)Instalacion tipica de ductos. Tambien se ilustra la imagen de los cables. Ductos
instalados en concreto. (b) Seccion de instalaciones de cables LPOF, enterrados directamente.
Cables de 275 kv, 1935 mm², 760 MVA- ruta rural. (c) Semejante a (b) para ruta urbana.
Dimensiones en mm.
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3.4 PERDIDAS
El calor se origina a partir de las diversas pérdidas que existen en un sistema de
cables. Estas son: perdidas en el conductor (incluidas las debidas a los efectos
skin y de proximidad), perdidas en la funda debidas a las corrientes de Eddy y de
circulación (esta última se puede eliminar de manera total con enlaces cruzados),
perdidas de Eddy y de histéresis ocurridas en armaduras de acero y en tubos de
acero y ductos, y finalmente perdidas dieléctricas.
Una fuente de calor adicional en las partes de una instalación superficial se origina
en la radiación solar (qs)
(3.10)
donde
d = diámetro (m)
=
coeficiente de absorción solar (1.0 es el máximo valor para una superficie
negra; 0.3 es el valor típico para una superficie brillante).
s= intensidad de la radiación solar (W/m2); este valor varía con la geografía, un
valor típico es de 800 W/m2.
Se puede introducir posteriores rozamientos para considerar el ángulo del sol, por
lo que se recomienda al lector literatura del comportamiento térmico de líneas de
superficie.
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Pérdidas en armaduras CA.- Cables de un solo núcleo.
Las perdidas en la funda, debidas a las corrientes de Eddy incluidas (funda de
circuito abierto), son el resultado del flujo en la circunferencia del conductor, y se
pueden obtener en forma aproximada si se emplea la formula de la ―hoja delgada‖.
La profundidad skin en las fundas (aproximadamente 7 cm de plomo) es mucho
mayor que su espesor, y su resistencia a la CA está dada en forma aproximada
por el valor en CD. La máxima pérdida se produce en la armadura; debido a la
espiral de los alambres existen componentes de la pérdida que resultan del flujo
axial a lo largo de los alambres, y del flujo por la circunferencia, que corta la
armadura a ángulo recto.
Por lo tanto, se puede decir que estos son dos componentes de las pérdidas de
Eddy en la armadura; más adelante se deriva. También existe la pérdida por
histéresis. Por lo general las pérdidas en la funda y en la armadura de un cable
submarino representan a grandes rasgos el 70% de las perdidas del conductor.
(a) Calculo de las pérdidas de circunferencia
El valor de la densidad de flujo máxima en dirección de la circunferencia se
obtiene usando la representación aproximada de los alambres de la armadura que
se ilustra en la figura 3.10.
donde R es el radio medio de la línea central de los alambres, e I es la corriente
del conductor.
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Figura 3.10 Perdidas de campo magnético de una armadura con alambres de acero y de corriente
inducida. (a) Alambre de armadura; (b) análisis de un alambre. J= corriente de Eddy inducida, B o=
densidad de flujo.
La reluctancia magnética.
donde n es el número de alambres. A partir de la figura 3.10, se puede demostrar
que la perdida en un alambre, debida a la corriente de Eddy es
donde
para el acero.
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(b) Cálculo de la pérdida axial en la armadura
donde
es la longitud de una espiral completa del alambre.
Se puede demostrar en forma aproximada que la pérdida por la corriente de Eddy
es igual a
(c) Perdida por histéresis total
Está dada por
(Vol. de un alambre en m3)(Núm. de alambres)B1-6 x 2512W donde B0 es la
densidad del flujo (Wb/m2)
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4.0 SISTEMAS DE CABLES DE C.A. CONVENCIONALES
4.1 SISTEMAS AUTOCONTENIDOS
Existe la tendencia de normalizar la construcción segmentada de los conductores
y de las áreas superiores a 1000 mm². Se ha usado la construcción de seis
segmentos Milliken para reducir el efecto skin. En la actualidad se manufacturan
conductores con áreas superiores a 2600 mm².
La resistencia de la C.A. en el conductor disminuye cuando se incrementa el
espacio axial, llegando a ser hasta 20% para conductores largos. Por ejemplo, un
Ω/km a 20°C), tiene
conductor de 1935 mm² en un cable de 400 kV
una
de 0.0165 Ω/km con un espacio axial de 50 mm, y este valor decrece
hasta 0.0128 Ω/km para 610 mm. En forma similar, para un conductor de 1300
mm² (
0.014 Ω/km a 20°C), el valor de
cae desde 0.0203 Ω/km para 50
mm, hasta 0.0184 Ω/km, para un espacio igual a 610 mm. Para 645 mm² los
valores son
0.026 Ω/km,
Todos los valores de
0.037 Ω/km, a 0.343 Ω/km a 610 mm de espacio.
están referidos a 85°C.
Las pantallas protectoras del núcleo y del conductor son de papel carbón negro y
de cintas de papel aislante metalizadas. En particular, hoy en día se usan dos
juegos de cintas formadas por papel carbón y papel carbón metalizado. Las
fundas de plomo reforzadas
que se usaron en un principio, han sido
reemplazadas en forma por demás amplia por las fundas de aluminio reforzado.
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Así mismo las sobrefundas de termoplástico extruidos, por lo general de PVC o de
polietileno, han reemplazado a las cubiertas protectoras traslapadas.
Las fundas del conductor aislado secado al vacio, se coloca bajo una ligera
presión de aceite.
La mayoría de los cables conductores sencillos funcionan con fundas totalmente
aisladas en las que se usan puntos de enlace cruzado o simple para minimizar las
perdidas en las fundas (ver figura). Las conexiones entre la secciones de la funda,
están hechas entre los enlaces forrados de plomo, aislados con PVC y las cajas
de empalmes, en las cuales se encuentran también las cajas de resistores no
lineales que limitan a un valor seguro el sobre voltaje excesivo (para el aislamiento
de la funda). Cuando es posible, los tanques de presión del aceite se montan
directamente sobre el terreno. Los puntos de alimentación se refuerzan con plomo
o se fabrican de aluminio corrugado, protegiéndolos con PVC cuando se entierran.
Figura 4.1. Fundas conectadas en cruz en un sistema autocontenidos de cables.
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Diseño Hidráulico
El aceite se mantiene bajo presión en reservas que tienen la forma que se ilustra
en la figura. En el tanque existe un determinado número de recipientes circulares
por dos diafragmas también circulares y un cilindro corto. Antes de insertarlos, se
llenan con gas a una atmosfera de presión (
N/m²) para tanques estándar y de
1½ a 2 atmosferas para tanques pre-presurizados.
El espacio entre los recipientes de gas y el tanque se llena con aceite de cable al
vacio. Cuando aumenta la presión del aceite en el cable, ambos diafragmas se
flexionan hacia delante y reduce el volumen al comprimir el gas contenido; en este
momento el aceite del cable puede entrar al tanque.
Si Vo es la capacidad del tanque en litros de gas a la presión atmosférica y a
15°C., entonces
Donde P está dada en atmosferas. Si las presiones superior e inferior del tanque
son P1 y P2 y las temperaturas correspondientes son T1 y T2, entonces el cambio
en volumen (
esta dado por
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Figura 4.2. Arreglo de celdas en reserva de aceite para cables LPOF
Los tanques se instalan en puntos altos a lo largo de la ruta del cable, para impedir
la compresión parcial y la pérdida de eficiencia provocadas por la presión estática
del aceite en el cable. En caso de que esto no sea posible, se usan arreglos de
tanques pre-presurizados. La longitud del cable de alimentación de un tanque
depende de:
(a) La presión máxima del aceite en el punto más bajo de la ruta del cable para
esta sección.
(b) La presión máxima momentánea en el punto bajo, esta es provocada por el
flujo de aceite y la fricción en el ducto y es adicional a (a).
(c) La presión estática mínima y la presión momentánea (en enfriamiento)
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Cuando el cable ha sido enfriado, el aceite regresa al cable desde la reserva. En
este punto es necesario conocer las presiones máxima y mínima creadas por el
flujo de aceite, para poder determinar la longitud recomendada para el tanque.
Sean
X= distancia (m) del punto de la reserva.
= cantidad de aceite absorbido por el cable en un instante dado, por la unidad de
longitud, por segundo.
= flujo de aceite en el conductor del cable (m³/s).
Si la longitud del cable es L y el flujo en el extremo remoto es igual a cero,
entonces =
(L – X).
Sean f el coeficiente de fricción en el ducto y la caída de presión dp/dx.
Para perfiles de ruta planos,
Se ha visto que condiciones transitorias (cambio de carga), sobre una cierta
longitud a partir del punto de alimentación, la presión cae por debajo de la presión
atmosférica (lo que provoca un vacio en el núcleo y en el dieléctrico). Por lo tanto
es necesario utilizar juntas de detención que contienen barreras hidráulicas para
separar el cable en secciones, de tal forma
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Figura 4.3. Variación de la presión de aceite a lo largo de un cable LPOF, alimentado desde la
reserva colocada en un extremo.
Figura 4.4. Junta de detención para cable LPOF de núcleo sencillo, autocontenido.
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Que no provoque el vacio, esto es que h˃0. Se aplica la ley de Poisevilles para
flujos.
El cálculo de
depende de las características térmicas y de los cambios
volumétricos que acompañan a los cambios en la temperatura. Las presiones
transitorias durante el calentamiento se pueden calcular en forma similar.
En la figura se muestra la variación de las presiones a lo largo de la ruta de un
cable en términos del perfil de la ruta.
En la práctica, las limitantes de la presión del aceite son: estática mínima 20.7 X
10³ N/m² (93 lbs./pulg²), estática máxima 520 X 10³ N/m² (75 lbs./pulg²), y
transitoria máxima 790 X 10³ N/m² (115 lbs./pulg²).
En la figura se muestra una junta de detención; esta divide el cable en longitudes
independientes desde el punto de vista del flujo, de allí que las presiones estáticas
se conserven dentro de límites aceptables. A menor variación en las elevaciones
del perfil, mayor distancia entre las juntas de detención. En ciertos casos se deben
de reforzar la funda para que soporte presiones de aceite mucho más altas, por
ejemplo, en flechas verticales como las que se encuentran en las estaciones
hidráulicas, en donde la presión efectiva del aceite puede ser del orden de 300 m.,
sin juntas de detención.
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4.2 CABLES DIELECTRICOS EXTRUIDOS
El cable dieléctrico extruido es mecánica y eléctricamente la forma más simple del
cable, libre de la necesidad de aceite, gas y equipo de presurización. Consta de un
conductor estándar (aluminio o cobre) cubierto por una pantalla extruida
semiconductora sobre la cual se extruye el dieléctrico. Finalmente, se extruye una
pantalla más amplia y se cubre con una envoltura helicoidal de cintas o alambre
de cobre. La pantalla es de plástico cargado de carbón. El polietileno, que es un
material termoplástico, se vuelve plástico a los 75°C, y se funde a los 100°C., por
lo que la capacidad normal de corriente queda severamente limitada. El polietileno
de enlaces cruzados (XLPE) se puede operar a 90°C., con pequeños periodos (8
horas por año) de temperatura de sobre carga de 130°C., con una temperatura de
fuga de corriente de 250°C. El cable aislado con etileno- propileno ahulado (EPR)
se fabrica para 132 kV y ha tenido éxito en servicio operacional. Sin embargo, el
centro de interés es el cable XLPE.
Los cables extruidos son de uso muy amplio en 69 kV, pero arriba de este valor,
como ejemplo a 138 kV, solo se ha instalado un circuito de longitud modesta. Los
problemas eléctricos en los cables de polietileno de enlaces cruzados se deben
principalmente a las protuberancias sobre las pantallas y a los huecos y
contaminantes en la mayor parte del aislamiento. Esto se encamina a la creación
de arborescencias y rupturas de trayectorias.
En el proceso tradicional para producir enlaces cruzados químicos en el
polietileno, se emplea el calentamiento a base de vapor y aditivos tales como
pequeñas cantidades de peróxido, en los nuevos procesos de extruccion no se
usa vapor y el calor se aplica vía nitrógeno o aceite.
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Con esto se ha logrado una mejoría en la calidad del dieléctrico, como lo es la
triple extruccion de la cubierta del conductor, del aislamiento y de la cubierta del
aislamiento.
Los nuevos intentos para mejorar el comportamiento del dieléctrico, comprende
una edición de fluidos orgánicos semiconductores, estabilizados de voltaje
e
impregnación de gas. La experiencia a la fecha indica que muchos aditivos tienden
a difundirse fuera del aislamiento y los efectos benéficos son de corta duración. En
el polietileno convencional de enlaces cruzados, curado con vapor, se ha
observado la existencia de
hasta
huecos por m³, con dimensiones que van de
.
La planta de extruccion empleada es compleja y de alto espacio, y con frecuencia
las tasas de extrusión son bajas. Los cables de polietileno de enlaces cruzados se
hacen pasar a través de la larga catenaria de los tubos de vulcanización y se
requiere una temperatura de 150-200°C. Para que se presente la reacción.
Figura 4.5. Manufactura del cable convencional XLPE- proceso de vulcanización continúa de
catenaria.
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El proceso se conoce como vulcanización del aislamiento del espesor de pared,
en contacto intimo con las dos pantallas semiconductoras extruidas, en un proceso
complejo y la maquinaria que se usa es comparable en alcance a la planta en que
se hace el traslape e impregnación de cables papel/aceite. Los informes sobre el
comportamiento de los cables de polietileno instalados en ambientes húmedos,
indican que su comportamiento eléctrico es peor que en condiciones secas. Esto
implica una disminución de la resistencia a la ruptura y en la resistencia del
aislamiento, así como un aumento en tan
, lo que establece el crecimiento de
arborescencias transparentes, esto es, de arborescencias de agua. En vista de
que todavía no está bien entendido el mecanismo de envejecimiento del
aislamiento en el que penetra la humedad, es aconsejable el empleo de los
resultados de modelos de prueba de pequeña longitud, como base de diseño para
los cables reales, haciéndolo con tanta precaución y experiencia de servicio como
sea posible. La inspección de los cables fuera de servicio, indica que las
arborescencias se presentan bajo condiciones de trabajo y pueden asociarse con
el comportamiento eléctrico no satisfactorio. Las arborescencias están ligadas con
la calidad de manufactura del cable y los materiales usados. La provisión de una
camisa plástica alrededor del aislamiento no proporciona mayor protección contra
el agua.
Los criterios generales para la duración de los cables son los siguientes:
(a) El ambiente húmedo, el exponente de vida (n) tiene un valor igual a 8 para
XLPE y de 11 para EPR.
(b) Cuando el cable esta protegido con una funda metálica el envejecimiento es
semejante al que tienen los cables con condiciones secas; n puede tomar el
valor de 13 para XLPE y de 15 para EPR.
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Por lo general, los diseños para los dieléctricos extruidos de hoy en día emplean
una tensión promedio de 2.35 kV/mm (60 V/mil), valores hasta de 69 kV y de 3.75
kV/mm (9V/mil), para valores de 138 kV. Estos valores se comparan
desfavorablemente
con
los
valores
del
aislamiento
a
base
de
cintas
celulosa/aceite, y a una mas con la resistencia intrínseca del polietileno de 0.79
MV/mm (20 kV/mil.). La solución actual a este comportamiento dieléctrico pobre es
el sobrediseño. Sin embargo, esto se transforma en dificultades en los voltajes
más altos, dado el incremento en el costo de manufactura, los problemas para los
empalmes y el aumento en la resistencia térmica.
El trabajo desarrollado hasta el presente, apunta el uso de materiales más puros,
al curado en seco a alta presión para prevenir la formación de micro huecos, a la
dispersión uniforme de agentes de entrecruzamiento, y a la disminución de
asperezas en la cubierta protectora. Para el futuro se prevee el enlace cruzado por
irradiación, donde las temperaturas más bajas impiden que formen huecos muy
pequeños y otros productos de derivación provocados por los enlaces químicos
cruzados. De todo lo anterior se deduce que si el desarrollo corriente del trabajo
es un éxito y las tensiones de diseño promedio de 7.8 kV/mm (20 V/mil) y tal vez
mas altas, se pueden lograr paredes mucho mas delgadas y el mejoramiento de la
capacidad corriente, asi como la disminución de los costos. Entonces
posiblemente se puede disponer de circuitos de cables hasta de 500 kV.
Cables Conductores de Sodio
El sodio como material para conductores posee muchas ventajas, además de que
abunda en la corteza terrestre y de que su extracción a partir del cloruro de sodio
por electrolisis es muy barata; para una capacidad normal de corriente dada, su
costo es inferior a la mitad del costo del aluminio.
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Otras propiedades de interés del sodio son: maleabilidad y ductibilidad que le dan
flexibilidad cuando se encaja en el aislamiento de polietileno, bajo punto de fusión
(98°C) y aumento en la resistividad cuando se funde, y muy importante, una
reacción química violenta cuando se expone el agua. Hasta el momento, los
cables del conductor de sodio se fabrican para voltajes máximos de 34.5 kV con
aislante de polietileno. Se produce por extrusión de un tubo de polietileno, que en
forma simultánea se llena con sodio. En la práctica toda la resistencia mecánica
del cable esta en el aislamiento, y esto es adecuado debido a su ligereza en peso
y flexibilidad. A un cuando el cambio en la fase provocado por un corto circuito, da
por resultado un almacenaje de calor y un retardo temporal de un mayor aumento
de la temperatura, la elevada resistencia eléctrica del metal fundido puede causar
inestabilidad térmica.
4.3 COMPARACION
ENTRE SISTEMA DE CABLES AUTOCONTENIDOS Y
TIPO TUBO
Es difícil generalizar la diferencia de costos entre estos sistemas, por lo que es
necesario examinar cada instalación en base a sus propios meritos. El cable tipo
tubo no es tan sensible a los costos de excavación como el autocontenido; la
capacidad de este ultimo depende del espacio entre los cables. De aquí que, en
un área en la que estos costos sea reducidos, el sistema autocontenido puede
presentar ciertas ventajas. En forma similar, el cable tipo tubo no es sensible al
perfil de la ruta, siempre y cuando la diferencia de alturas sea menor de 300 m
aproximadamente. Con los sistemas autocontenidos llenos de aceite, el cambio en
elevación está limitado por la juntas de detención y la capacidad de la resistencia
mecánica de la funda para soportar la presión del aceite.
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También es difícil generalizar el costo de los cables mismos. La necesidad de
aceite en el sistema tipo tubo es mayor. Aun cuando el volumen de papel
requerido en el cable autocontenido tiende a ser mayor debido a la presencia del
ducto conductor, se compensa por la reducción en la tensión máxima en el radio
del conductor más largo.
El equipo terminal para un sistema autocontenido llenado con aceite está formado
por extremos sellados de baja presión, los cuales por lo general son menos caros
que los sombreretes resistentes a la presión y los dispositivos de trifurcación.
Los cables autocontenidos, enterrados en forma directa, disipan el calor con
mayor facilidad, aunque esta ventaja disminuye cuando la instalación se hace en
ductos. En muchas áreas urbanas la necesidad de mantener abiertas las zanjas,
cuando menos durante el tiempo necesario para realizar los empalmes durante la
instalación, resulta un impedimento para su uso. Este tipo de tubos también es
muy vulnerable a los daños, debido a la construcción y a las actividades de
edificación, que los cables encerrados en tubos.
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4.4 PARAMETROS ELECTRICOS DE LOS CABLES AUTOCONTENIDOS Y
TIPO TUBO LLENADOS CON ACEITE
Para el diseño de un sistema y el estudio acerca de su comportamiento, es
esencial el conocimiento de sus parámetros eléctricos. La capacidad normal de
corriente, que depende de las diferentes perdidas, también sufre la influencia de la
inducción electromagnética en las fundas y la armadura.
Inductancia
Para los conductores de radio r (m) con una separación axial s (m), la inductancia
de cada cable es:
Donde 0.779 r es el radio medio geométrico (re) para un conductor circular solido
de radio r. Esto deja espacio para el flujo interno en el conductor
Para un arreglo en forma de trébol, la inductancia de los conductores con respecto
al neutro hipotético (es decir, por fase) es igual o con una magnitud de 2 In (s/re) x
H/m. Para tres conductores en un arreglo no equilátero, la inductancia media
de los conductores al neutro es de 2 x
en (seq/re) H/m; donde seq es el
espacio geométrico medio (esto es, equivalente de la deformación de trébol) y
está dada por (Sab, Sbc, Sca) ⅓. Para tres cables en forma horizontal y con un
espacio igual a S, Seq = (2
) ⅓.
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Las inductancias de los conductores individuales ɑ, b y c en la forma horizontal,
son las siguientes:
Estas formulas se aplican a cables que no tienen funda metálica o para cables con
funda conectada a tierra en un solo punto.
Capacitancia
La capacitancia entre el conductor y la pantalla o funda, esta dada por:
Donde r y R son los radios del conductor y de la pantalla del dieléctrico
respectivamente. Esta fórmula también se aplica para los núcleos con pantalla en
los cables tipo tubo.
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Corrientes y Voltajes en las Fundas
Se consideran dos cables, como se ilustra en la figura. Las fundas estas
instaladas, es decir, no están conectadas a tierra en los extremos, y los flujos
producidos por el cable, cortan la funda del otro e inducen corrientes de Eddy.
Aunque las pérdidas en estas condiciones son muy pequeñas, a excepción de
cuando los cables estén juntos o en contacto, los voltajes producidos a lo largo de
la funda pueden llegar a ser excesivos. Pera evitarlo, las fundas se conectan a
tierra en sus extremos formando las condiciones terminales indicadas en la figura.
Figura 4.6. (a) Corrientes y flujos en fundas de cables autocontenidos sin conexión de las fundas a
tierra (corto circuitadas). (b) Dos cables con fundas conectadas.
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El espacio entre los centros de los conductores es S (m), r y r, son los radios del
conductor (solido) y de la funda (valor medio) en metros.
El flujo a través del lazo ɑ b c forman una inductancia mutua M, entre la funda y el
conductor, con valor igual a
Donde s es el espacio que existe entre los centros axiales de la funda (m) y rs es
el radio medio de la funda (m).
Para un sistema trifásico con un espacio equilátero, el valor efectivo de M es
La auto inductancia L, de la funda es aproximadamente igual a la inductancia
mutua M, y, considerando que la resistencia de la trayectoria de la corriente, es
decir, de la funda, es Rs, la corriente de la funda
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Y la pérdida de la funda por fase es
La resistencia efectiva total
O
En la figura se muestra el circuito equivalente; el conductor y la funda forman un
circuito acoplado.
Considerando que el circuito tiene un metro d longitud, la caída de voltaje por
metro está dada por
, donde
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Figura 4.7. Circuito equivalente, formado por el conductor y la funda conectados.
Y en la funda
De estas dos ecuaciones
Donde
Aunque el circuito equivalente que se muestra pertenece a un circuito de una fase,
la ecuación ( ) se aplica también a un sistema de tres fases, donde
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Donde s e el espacio entre los centros del conductor y la funda (m).
Conexiones Cruzadas
Las elevadas pérdidas que se presentan con las fundas en corto circuito, han dado
como resultado el amplio uso de un sistema de transportación de fundas que se
conoce como Conexiones Cruzadas; este sistema se ilustra en la figura. La funda
se corta en cada junta a lo largo de la ruta y se hace la transposición. Después de
que se atraviesan tres longitudes, las fundas se conectan a tierra como se ve en la
muestra. El efecto que se obtiene es la suma de los voltajes de la funda en las
secciones adyacentes y en las cargas balanceadas esta suma debe ser igual a
cero. Se evitan las elevadas corrientes de funda y se conservan los voltajes
inducidos en proporciones razonables.
Los circuitos de alta potencia se conectan en cruz o se hace la transposición y, si
las fundas estas conectadas a cada tercera posición para cables de núcleo
sencillo en forma horizontal, la razón de la pérdida está dada por:
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Esta es una perdida causada por las corrientes que circulan en la funda, y las
corrientes de Eddy se desprecian. Cuando no se pueden despreciar estas
corrientes, esto es, para cables conectados a un solo punto o de conexión
cruzada, la razón:
Los valores
horizontal;
son los siguientes. Forma de trébol;
6,
0.083 (cable central), y
1.5,
3.0,
0.417, forma
0.27 (cable exterior). Para
los conductores largos construidos de sub-conductores segmentados aislados, las
formulas de las pérdidas de Eddy dadas se modifican al multiplicar por factor F
dado por:
Donde
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Para forma de trébol
Y
Para cables en forma plana
X es la reactancia de la funda en formación de trébol y
es la reactancia mutua
entre la funda de un cable y los conductores de las otras cuando están en forma
horizontal.
Impedancias en Secuencia
La impedancia de secuencia cero
, depende del medio ambiente del cable y con
frecuencia es difícil de determinar con precisión. Se pueden presentar varios
casos para la corriente de retorno en una situación de flujo de corriente
desbalanceada; estas son:
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(a) Retorno a través de la funda sola
(b) Retorno a través de la tierra sola
(c) Retorno a través de la tierra y la funda en paralelo
(d) Retorno a través de la tierra y la funda de los cables adyacentes
La presencia de líneas de ferrocarril, líneas de cañería y otros equipos enterrados,
pueden también ejercer cierta influencia en la situación.
La impedancia propia (Ω por metro) de un conductor cilíndrico cercano a la
superficie del terreno con un retorno a través de la tierra está dada por:
Donde
= resistividad eléctrica del terreno (Ω-m)
= frecuencia (Hz)
= radio medio geométrico del conductor (m)
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esta dada en Ω/milla,
Donde
en Ω-m,
en pies, y
Pies
La impedancia mutua entre el conductor y la funda con retorno por tierra, está
dada por:
Donde
es el radio medio geométrico de la funda en m. alternativamente está
dada por
Con
en pies
Para un cable en el que la corriente retorna solo a lo largo de la funda, la
impedancia entre esta última y el conductor
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Donde
y
estan dadas por pies y
impedancia de secuencia cero, es de 3 x
y
en Ω/milla. Note que
, la
.
En la figura se muestra el circuito equivalente para un cable con corriente de
retorno a través de su propia funda y de la funda de un cable adyacente y tierra.
El auto impedancia para una funda de aluminio a 50 ° C.
Donde
= distancia media geométrica entre el conductor y la funda (m)
= radio exterior de la funda (m)
= radio interior de la funda (m)
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Figura 4.8. Red de secuencia cero de un sistema autocontenido con retorno de corriente en dos
fundas en paralelo con la tierra.
= Reactancia entre el conductor (1) y la funda del cable (1).
= Reactancia entre el conductor (1) y la funda del cable (2).
= Resistencia de la funda del
cable (1).
Parámetros de Secuencias para Sistemas de Conexión Cruzada
Las impedancias mutuas que existen entre los 6 conductores, de un sistema de
tres fases, formado por los conductores y las fundas, se designan como
Donde
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Distancia media geométrica (GMD) entre el conductor 1 y la funda 1 (m)
GMD entre el conductor 1 y la funda 3 (m) (véase figura)
GMD entre el conductor 1 y la funda (m)
Por lo general la ecuación de la matriz
se puede expandir en términos
de las cantidades del conductor (subíndice c) y de la funda (subíndice c) y de la
funda (subíndice s) como sigue:
Si se supone que tres cable idénticos están colocados en una formación plana
(figura) y que los espacios entre ellos son iguales, partiendo de ciertas igualdades
debidas a la simetría, la matriz de la impedancia se puede expandir en los
sistemas de cables trifásicos como sigue.
Figura 4.9. Cables autocontenidos en formación horizontal.
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PARAMETROS ELECTRICOS DE CABLES TIPO TUBO LLENADOS CON
ACEITE
La siguiente expresión empírica ayuda a calcular la resistencia del conductor a la
CA.
Para las perdidas en la pantalla exterior del dieléctrico, las relaciones en el cable
autocontenido se modifican como sigue:
Donde X es la reactancia de la funda. La perdida en el tubo de acero se determina
de manera analítica, pero con frecuencia se usa la formula empírica. Se debe
hacer énfasis en que la formula empírica dada se aplica únicamente a 60 Hz.
Para los arreglos de cables de contacto triangular:
Para los arreglos abiertos de las horquillas:
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DESCRIPCION DE LINEAS DE TRANSMISION SUBTERRANEA DE 115-135 KV
Donde
diametro interno del tubo (cm), s = espacio axial entre los conductores
adyacentes (cm),
resistencia del conductor a la CA (Ω/cm).
En la tabla 4.1se ilustra el cambio de la perdida efectiva con la medida del
conductor.
La inductancia de los cables tipo tubo se determina en la misma forma que para
los cables autocontenidos separados en formación triangular o de trébol. Sin
embargo, la reactancia se incrementa en 15%, considerando la presencia del tubo
de acero.
Impedancia de secuencia cero
La determinación de la impedancia de secuencia cero es mas compleja en los
cables tipo tubo que en los autocontenidos, debido a los efectos electromagnéticos
en el tubo de acero. En este último se mezclan los problemas normales de un
posible retorno de corriente por tierra, es decir, si el terreno es o no homogéneo, y
la presencia de otros objetos conectores. La corriente fuera de balance puede fluir
en la pantalla del cable individual, en los alambres rolados (si son metálicos) en el
tubo, y en el terreno. Como la permeabilidad magnética del material del tubo varia
con la magnitud de corriente (y por lo tanto, con el tiempo) aun la suposición de un
retorno de corriente cero en la tierra no da un cálculo preciso.
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DESCRIPCION DE LINEAS DE TRANSMISION SUBTERRANEA DE 115-135 KV
Tabla 4.1 Relaciones de perdida para conductores segmentos de cobre en tubos de acero- formas
de horquilla a 70°C.
Figura 4.14 Flujos de corriente. Cable tipo tubo
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Capítulo III
CONCLUSION
Es difícil cuantificar la cantidad de transmisión subterránea de alta capacidad que
se requerirá en dos o tres décadas siguientes. Existe la duda de si el uso en el
pasado constituye una guía segura, por dos razones. Primera, en muchos países
desarrollados, ha disminuido la tasa de incremento en el uso de electricidad,
debido al gran incremento en los costos del combustible. Segunda, es difícil prever
la fuerza de la opinión pública con respecto a la amenidad visual, y en particular si
esta aumenta y acepta, que cada proyecto incremente los costos de la
electricidad, para cubrir un mayor grado de instalaciones subterráneas. Sin
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embargo, a grandes rasgos, es difícil determinar claramente cualquier alternativa,
respecto a un uso más amplio de la electricidad, como el vehículo de mayor
energía, conforme se agotan las fuentes de gas natural y petróleo.
Por lo tanto, si se establece la premisa de que la mayor parte de la energía
eléctrica se debe transmitir, el papel que juega la transmisión subterránea es un
evento importante. Las graficas en las que se establece la comparación de costos
son lo bastante claras, como para no requerir argumentos adicionales. En las
graficas Europeas, se sugiere que en el futuro el uso de todos los circuitos
subterráneos (sin incluir la conversión de líneas existentes), estará vinculado con
inversiones adicionales, del orden del 50% de la inversión total de una instalación
de potencia.
Conforme a las consideraciones ambientales, se dicta el empleo de circuitos
subterráneos en áreas urbanas y suburbanas y en ciertas áreas rurales de belleza
sobresaliente. Un mayor uso posible, se encuentra en la transferencia de energía,
desde las grandes instalaciones generadoras, que en el futuro serán varios GW de
capacidad, a los sistemas de líneas aéreas, con objeto de reducir impactos
ambientales severos alrededor de la planta.
BIBLIOGRAFIA
http://html.rincondelvago.com/lineas-de-transmision.html
http://gama.fime.uanl.mx/~omeza/pro/LTD/LTD.pdf
http://dspace.epn.edu.ec/bitstream/123456789/798/23/T10145ANEXO2.A.pdf
B.M. Weedy
Líneas de transmisión subterránea
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Editorial limusa
Pagina electrónica de C.F.E
Angelin A.M., ―The evolution of electric power transmission and the envioronment‖
CIGRE 1974
Berry R.N., ―Economics of high voltaje transmission by underground cables‖
Occhinni, E. y Mascho, G., ―Electrical characte ristics of oil-impregnated paper as
insulation for h.v.d.c cables.
Hansson, B., ― A submarine cable for 100 kv d.c. power transmission.
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ANEXOS
ANEXOS A
Símbolos Empleados
A = Área
a—b—c = Rotación de fase (alternadamente R – Y – B)
a y b = Coeficientes de temperatura y esfuerzo de la resistividad en CD.
a = Operados 1
120°
C = Capacitancia
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C = Capacidad térmica (J/°C)
C = Costo
cp = Calor especifico ( J/Kg por ° C)+
d,D = Diámetro
E = Esfuerzo eléctrico ( MV/m o Kv/mm)
= Frecuencia (Hz)
g = Resistividad térmica (°C-m/W)
a = Aceleración debida a la gravedad (m/s2)
h = Coeficiente de transferencia de calor (Watts/m2 por °C)
I = Corriente (A)
j = Operador 1
90°
J = Densidad de corriente (A/m2)
K = Conductividad térmica (W/m-°C)
L = Inductancia (H)
L.F. = Factor de carga
L = duración del aislamiento (años)
L.L.F. = Pérdida del factor de carga
l = Longitud (m)
M = Inductancia mutua (H)
P = Potencia
P = Presión (Pa)
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p.f. = Factor de potencia
Q = Potencia reactiva (V Ar)
q = Perdidas disipadas como calor (Watts)
R = Resistencia (ohms) también resistencia térmica (°C / W)
S = Potencia compuesta = P
jQ
s = Espaciamiento entre cables
T = Temperatura absoluta (K)
t = Tiempo
t = Intervalo de tiempo
U = Velocidad
V = Voltaje
W = Flujo volumétrico de refrigerante (m3/s)
Y = Admitancia (p.u. o
-1
)
Z = Impedancia (p.u. u ohms)
Zo = Características o impedancia ondulatoria (ohms)
= Coeficiente de expansión volumétrica (°C-1)
= Viscosidad cinemateca (m2/s)
Permitividad
= Viscosidad (kg/m-s)
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DESCRIPCION DE LINEAS DE TRANSMISION SUBTERRANEA DE 115-135 KV
= Aumento de temperatura (°C) sobre una temperatura de referencia o sobre la
temperatura ambiente.
= Resistividad eléctrica ( -m)
= Densidad (kg /m3)
= Constante de tiempo
= Angulo entre el voltaje y la corriente de fase (ángulo del factor de potencia).
= Frecuencia angular (pulsatance) rad/s
= Conductividad eléctrica
= Constante Stefan Boltzmann (5.7 x 10-8 W/m2 K4)
ANEXOS B
Normas y Especificaciones
Técnicas normalizadas para pruebas de altos voltajes I.E.E.E, (STANDARD
TECHNIQUES FOR HIGH VOLTAGE TESTING, DISTRIBUIDO POR J. WILEY).
NORMAS BRITANICAS
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BS 801
Fundas de plomo y de aleaciones de plomo de cables eléctricos.
BS 1442
Alambres de acero suave galvanizado para cables blindados.
BS 4066
Cables eléctricos con características retardantes de flama.
BS 5099
Cables eléctricos a prueba de chispa.
BS 5468
Cables eléctricos con aislamiento de polietileno entretejido.
BS 5469
Cables eléctricos con aislamiento de etilpropileno ahulado duro.
BS 6234
Cables eléctricos de funda y aislamiento de polietileno
BS 6360
Conductores de cobre en cables y cordones aislados.
BS 6746
Cables eléctricos de funda y aislamiento de PVC.
BS 6791
Conductores de aluminio en cables aislados.
BS 6899
Especificaciones para funda y aislamientos ahulados de cables
1
Eléctricos.
PUBLICACIONES DE LA COMISION ELECTROTECNICA INTERNACIONAL
ICE 141 Pruebas con cables rellenos de aceite y presión de gas y sus
accesorios.
141-1
Cables rellenos con aceite, con aislamiento de papel con funda metálica
y sus accesorios para voltajes alternos superiores a 400 kV inclusive.
141-2
Cables de presión de gas interna y sus accesorios para voltajes alternos
superiores a 275 kV.
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141-3
Cables de presión de gas externa (compresión de gas) y sus accesorios
para voltajes alternos superiores a 275 kV.
IEC 183 Guía para la selección de cables para alto voltaje.
IEC 228 Conductores de cables aislados.
IEC 230 Pruebas de impulso en cables y sus accesorios.
IEC 287 Cálculo de cables de corriente continua (factor de carga 100%).
IEC 331 Cables eléctricos con características de resistencia al fuego.
IEC 332 Cables eléctricos con características retardantes al fuego.
IEC 502 Cables de potencia aislados con dieléctrico solido extruido para voltajes
clasificados de 1 a 30 kV.
IEC 540 Métodos de prueba para aislamientos y fundas de cables eléctricos y
cordones (compuestos termoplásticos y elastomérico).
IEC 628 Saturación gaseosa de cables y capacitores con aislamiento de aceite
bajo esfuerzo eléctrico y ionización.
ANEXO C
Arborescencias
Es un fenómeno eléctrico previo a la ruptura dieléctrica de un material aislante. En
ocasiones, aun en español, suele emplearse como sinónimo el término inglés
"electrical treeing". Es un proceso destructivo progresivo e irreversible debido a
descargas parciales, que avanza dentro o en la superficie de un dieléctrico cuando
se lo somete a un prolongado estrés eléctrico de alta tensión. El nombre
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"arborescencia" se debe a que sigue un patrón semejante a las ramificaciones de
un árbol.
Centistokes
Unidad de medición de la viscosidad de líquidos.
Electrolisis
Proceso para separar un compuesto en los elementos que lo conforman, usando
para eso la electricidad.
Electroforesis
Técnica para la separación de moléculas según la movilidad de estas en un
campo eléctrico.
Dielectroforesis
Es un movimiento de partículas causado por los efectos de polarización en un
campo eléctrico no uniforme.
Extrusión
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La extrusión es un proceso utilizado para crear objetos con sección transversal
definida y fija. El material se empuja o se extrae a través de un troquel de una
sección transversal deseada. Las dos ventajas principales de este proceso por
encima de procesos manufacturados son la habilidad para crear secciones
transversales muy complejas y el trabajo con materiales que son quebradizos,
porque el material solamente encuentra fuerzas de compresión y de cizallamiento.
También las piezas finales se forman con una terminación superficial excelente.
La extrusión puede ser continua (produciendo teóricamente de forma indefinida
materiales largos) o semicontinua (produciendo muchas partes). El proceso de
extrusión puede hacerse con el material caliente o frío.
Corrientes de Eddy
Está basada en los principios de la inducción electromagnética y es utilizada para
identificar o diferenciar entre una amplia variedad de condiciones físicas,
estructurales y metalúrgicas en partes metálicas ferro magnéticas y no ferro
magnéticas, y en partes no metálicas que sean eléctricamente conductoras.
Las corrientes de Eddy son creadas usando la inducción electromagnética, este
método no requiere contacto eléctrico directo con la parte que está siendo
inspeccionada.
Yute
Telas para altas temperaturas retardantes de fuego.
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Cera Ozokerita
Subproducto que se obtiene en la fabricación de velas.
Tubo concéntrico:
Gutapercha: Es un tipo de goma parecida al caucho, translúcida, sólida y flexible,
fabricada a base del látex proveniente de árboles del género Palaquium. Se utiliza
a escala industrial, entre otros, en la fabricación de telas impermeables y el
aislamiento de cables eléctricos (sobre todo cables submarinos) dadas sus buenas
propiedades como aislante. El material se torna moldeable a una temperatura
aproximada de 50 °C. No aguanta una exposición larga al sol.
Betún: Es una mezcla de líquidos orgánicos altamente viscosa, negra, pegajosa,
Son muy malos conductores eléctricos. Debido a ello se utilizan para recubrir los
cables que transportan la energía eléctrica.
LPOF: Cable lleno con aceite a baja presión autocontenido.
Dieléctrico: Se denomina dieléctricos a los materiales que no conducen la
electricidad, por lo que se pueden utilizar como aislantes eléctricos.
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HPOF: cable tipo tubo lleno con aceite a alta presión.
El efecto corona: es un fenómeno eléctrico que se produce en los conductores de
las líneas de alta tensión y se manifiesta en forma de halo luminoso a su
alrededor. Dado que los conductores suelen ser de sección circular, el halo adopta
una forma de corona, de ahí el nombre del fenómeno.
El efecto corona está causado por la ionización del aire circundante al conductor
debido a los altos niveles de tensión de la línea. En el momento que las moléculas
de aire se ionizan, éstas son capaces de conducir la corriente eléctrica y parte los
electrones que circulan por la línea pasan a circular por el aire. Tal circulación
producirá un incremento de temperatura en el gas, que se tornará de un color
rojizo para niveles bajos de temperatura, o azulado para niveles altos. La
intensidad del efecto corona, por lo tanto, se puede cuantificar según el color del
halo, que será rojizo en aquellos casos leves y azulado para los más severos.
Estuario: Es la parte más ancha y profunda de la desembocadura de un río en el
mar abierto o en el océano, generalmente en zonas donde las mareas tienen
amplitud u oscilación. La desembocadura en estuario está formada por un solo
brazo ancho y profundo en forma de embudo ensanchado. Suele tener playas a
ambos lados, en las que la retirada de las aguas permite el crecimiento de algunas
especies vegetales que soportan aguas salinas
Lastre: Peso que se pone en el fondo de una embarcación para hacer bajar su
centro de gravedad y darle una mayor estabilidad
Construcción Milliken: Los alambres se compactan y tuercen para formar un
segmento en el que estos quedan transpuestos.
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Fatiga de materiales: Se refiere a un fenómeno por el cual la rotura de los
materiales bajo cargas dinámicas cíclicas (fuerzas repetidas aplicadas sobre el
material) se produce ante cargas inferiores a las cargas estáticas que producirían
la rotura. Un ejemplo de ello se tiene en un alambre: flexionándolo repetidamente
se rompe con facilidad, pero la fuerza que hay que hacer para romperlo en una
sola flexión es muy grande
La protección catódica (CP): Es una técnica para controlar la corrosión galvánica
de una superficie de metal convirtiéndola en el cátodo de una celda
electroquímica. El método más sencillo de aplicar la CP es mediante la conexión
del metal a proteger con otro metal más fácilmente corrosible al actuar como
ánodo de una celda electroquímica. Los sistemas de protección catódica son los
que se usan más comúnmente para proteger acero, el agua o de combustible el
transporte por tuberías y tanques de almacenamiento, barcos, o una plataforma
petrolera tanto mar adentro como en tierra firme.
La ionización: Es el proceso químico o físico mediante el cual se producen iones,
estos son átomos o moléculas cargadas eléctricamente debido al exceso o falta de
electrones respecto a un átomo o molécula neutro. A la especie química con más
electrones que el átomo o molécula neutros se le llama anión, y posee una carga
neta negativa, y a la que tiene menos electrones catión, teniendo una carga neta
positiva. Hay varias maneras por las que se pueden formar iones de átomos o
moléculas.
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Proceso de Kraft
Proceso de Kraft (también conocido como El reducir a pulpa de Kraft o proceso del
sulfato) describe una tecnología para la conversión de la madera en pulpa de
madera consistir en casi puro celulosa fibras. El proceso exige el tratamiento de
las virutas de madera con una mezcla de hidróxido del sodio y sulfuro del sodio
esa rotura los enlaces que se ligan lignina a la celulosa. El nombre de proceso se
deriva de alemán Kraft, significando fuerza/energía; nombres capitalizados y
minúsculos (Proceso de Kraft y proceso de Kraft) aparezca en la literatura, pero
―Kraft‖ es el más de uso general de la pulpa y de la industria de papel.
Impermeabilidad
Es la resistencia que ofrece un tejido a la presión de un líquido (grado de
impermeabilidad). Partiendo de una columna de agua contenida en un envase de
1 cm2 de sección, se incrementa la altura de dicha columna de agua hasta que se
consigue traspasar el tejido con el líquido.
Resistencia Mecánica
La resistencia mecánica es la capacidad de los cuerpos para resistir las fuerzas
aplicadas sin romperse. La resistencia mecánica de un cuerpo depende de su
material y de su geometría. La Resistencia de Materiales combina los datos de
material, geometría y fuerzas aplicadas para generar modelos matemáticos que
permiten analizar la resistencia mecánica de los cuerpos.
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Descarga de Corona
En electricidad, a descarga de corona es descarga eléctrica traído encendido por
ionización de a líquido a que rodea conductor, que ocurre cuando gradiente
potencial (la fuerza del campo eléctrico) excede cierto valor, pero las condiciones
son escasas para causar completo interrupción eléctrica o formación de arcos.
Fricción
Se define como fuerza de rozamiento o fuerza de fricción, entre dos superficies en
contacto, a aquella que se opone al movimiento entre ambas superficies (fuerza
de fricción dinámica) o a la fuerza que se opone al inicio del movimiento (fuerza de
fricción estática). Se genera debido a las imperfecciones, especialmente
microscópicas, entre las superficies en contacto.
Permeabilidad
La permeabilidad es la capacidad de un material para que un fluido lo atraviese sin
alterar su estructura interna. Se afirma que un material es permeable si deja pasar
a través de él una cantidad apreciable de fluido en un tiempo dado, e impermeable
si la cantidad de fluido es despreciable.
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DESCRIPCION DE LINEAS DE TRANSMISION SUBTERRANEA DE 115-135 KV
La velocidad con la que el fluido atraviesa el material depende de tres factores
básicos:

la porosidad del material;

la densidad del fluido considerado, afectada por su temperatura;

la presión a que está sometido el fluido.
Ecuación de Arrehenius
Ecuación que permite calcular la constante específica de velocidad a partir del
factor de frecuencia (A), la energía de activación (Ea) y la temperatura absoluta
(T).
Coeficiente de Fricción
El coeficiente de rozamiento o coeficiente de fricción expresa la oposición al
movimiento que ofrecen las superficies de dos cuerpos en contacto. Es un
coeficiente a dimensional. Usualmente se representa con la letra griega μ (mu).
Grado de Polimerización
El Grado de polimerización: n indica cuantas unidades repetitivas se encuentran
en un polímero, se suele indicar este número con una n al final de los corchetes
que indican la unidad monomérica.
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No es posible indicar en la fórmula toda la cadena ya que la unidad se repite y n
puede alcanzar valores del orden de miles
Ley de Paschen
La Ley de Paschen, llamada así después de que Friedrich Paschen, fuera el
primero en establecerla en 1889. Estudió la tensión disruptiva de láminas paralelas
envueltas de gas como función de la presión y la distancia entre ellas. La tensión
necesaria para crear un arco eléctrico a través del espacio entre láminas
disminuyó a un punto a medida que la presión fue reducida. Luego, comenzó a
aumentar, gradualmente excediendo su valor original. Él también encontró que
disminuyendo el espacio entre láminas a presión normal, causaba el mismo
comportamiento en la tensión de ruptura.
Paschen encontró que la tensión disruptiva puede ser descrita mediante la
ecuación:
Donde V es la tensión disruptiva en Voltios, p es la
presión, y d es la distancia entre las láminas. Las constantes a y b dependen de la
composición del gas. Para el aire a presión atmosférica de 760 Torr, a = 43.66 y b
= 12.8 , donde p es la presión en Atmósferas y d es la distancia de separación en
metros.
El gráfico de esta ecuación es la curva de Paschen. Ésta predice la existencia de
una tensión disruptiva mínima para un determinado producto de la presión y la
separación. El mínimo citado para presión atmosférica y una separación de 7.5
micrómetros es de 327 Voltios. En este punto, la intensidad del campo eléctrico en
Voltios/metros es alrededor de unas 13 veces mayor que la necesaria para
superar
una
brecha
de
un
metro.
El
fenómeno
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está
bien
verificado
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DESCRIPCION DE LINEAS DE TRANSMISION SUBTERRANEA DE 115-135 KV
experimentalmente y es conocido como el mínimo de Paschen. La ecuación falla
para distancias menores de pocos micrómetros a una Atmósfera de presión y
predice incorrectamente un arco infinito de voltaje en la distancia de 2.7
micrómetros.
Centipoise
El poise (símbolo: P) es la unidad de viscosidad absoluta del sistema cegesimal de
unidades: Esta unidad recibió el nombre en honor al fisiólogo francés Jean-LouisMarie Poiseuille
Ley de Poiseuille
Es la ley que permite determinar el flujo laminar estacionario ΦV de un líquido
incompresible y uniformemente viscoso (también denominado fluido newtoniano) a
través de un tubo cilíndrico de sección circular constante
La ley queda formulada del siguiente modo:
donde V es el volumen del líquido que circula en la unidad de tiempo t, vmedia la
velocidad media del fluido a lo largo del eje z del sistema de coordenadas
cilíndrico, R es el radio interno del tubo, Δp es la caída de presión entre los dos
extremos, η es la viscosidad dinámica y L la longitud característica a lo largo del
eje z. La ley se puede derivar de la ecuación de Darcy-Weisbach, desarrollada en
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el campo de la hidráulica y que por lo demás es válida para todos los tipos de flujo.
La ley de Hagen-Poiseuille se puede expresar también del siguiente modo:
donde Re es el número de Reynolds y ρ es la densidad del fluido. En esta forma la
ley aproxima el valor del factor de fricción, la energía disipada por la pérdida de
carga, el factor de pérdida por fricción o el factor de fricción de Darcy λ en flujo
laminar a muy bajas velocidades en un tubo cilíndrico
Irradiación
Proceso por el que cualquier cosa es expuesta a cualquier forma de radiación
Maleabilidad
Es la propiedad de la materia, que junto a la ductilidad presentan los cuerpos al
ser elaborados por deformación. Se diferencia de aquella en que mientras la
ductilidad se refiere a la obtención de hilos, la maleabilidad permite la obtención de
delgadas láminas de material sin que éste se rompa. Es una cualidad que se
encuentra opuesta a la ductilidad puesto que en la mayoría de los casos no se
encuentran ambas cualidades en un mismo material.
La maleabilidad es la capacidad que tiene un material de deformarse
permanentemente bajo cargas compresivas.
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