CABLES AISLADOS APANTALLADOS DE MEDIA Y ALTA TENSIÓN
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CABLES AISLADOS
APANTALLADOS DE MEDIA
Y ALTA TENSIÓN
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INTRODUCCIÓN (UN POCO DE HISTORIA)
CABLE API (aislación en papel impregnado)
• Primer uso operativo: aprox. 1893 (10KV) en Inglaterra
CABLES “SECOS” (aislaciones plásticas)
• Comienzo de uso: años 60’ (EEUU, 10 KV, aislación de polietileno lineal no reticulado)
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Tipos de Cables apantallados
I. Cables de campo eléctrico radial, aislación polietileno
reticulado (XLPE) o EPR (goma etileno propileno)
Dieléctrico
Cubierta
Conductor
Capa
Semiconductora
Malla de
alambres
Capa
Semiconductora
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(foto cable XLPE 1x240 mm2 Al 12/20 kV)
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II. Cables de campo eléctrico radial, aislación API
(Papel impregnado)
Tipos de Cables apantallados
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Tipos de Cables apantallados III. Cables de campo eléctrico NO radial, aislación
API (Papel impregnado)
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CONSTRUCCIÓN
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Aislaciones usuales cables “secos”
• Materiales: XLPE o EPR
• Temperatura de operación en régimen: 90 °C
•Compuestos “termoestables” (no se “funde”)
Cubiertas (subterráneos)
• Material: PVC “poli vinil
cloride”(Policloruro de vinilo), PE
(polietileno) o gomas
Conductores
• Cobre o aluminio cableados
• Pantallas metálicas en alambres o
cintas de cobre
Norma internacional:
IEC 60502-2
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FABRICACION DEL CONDUCTOR
CABLEADORAS (UNA POR CAPA)
COMPACTADO Bobinas de alambres
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PROCESO DE EXTRUSIÓN (UNA CAPA)
(esquema)
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INSTALACIÓN
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Directamente enterrado
(ejemplo cables 20 kV)
En ductos, una terna por caño
(Cruces de calles)
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Cálculo de gradiente
eléctrico en el aislante
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mF
r
rLn
C /2
0
1
m
r
rLnR /
2 0
1
Modelo simplificado del dielectrico:
( y independientes de temperatura, humedad, frecuencia)
Cálculo de gradiente eléctrico en el aislante
Para frecuencia industrial (50 Hz) se
calcula despreciando componente
asociado a la resistividad
Conductor
Pantalla
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h
E(r)
r0
r1
r
Cálculo de campo eléctrico en un cable cilíndrico
apantallado
1
0
1)()(
0
1
00
r
rr
r
rLn
UrEUdrrE
E(r0) = Gradiente eléctrico de diseño
del cable [kV/mm]
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A modo de ejemplo se grafica el campo eléctrico en un cable 12/20 KV, 240 mm² de sección:
Uo=12; %KV tensión fase-pantalla
r0= 18.5/2; %mm radio del conductor
e= 5.5; %mm espesor nominal de aislación
r1= r0+e; %mm
r=r0:0.1:r1;
E=(Uo/log(r1/r0)).*(1./r); % KV/mm
9 10 11 12 13 14 151.6
1.8
2
2.2
2.4
2.6
2.8
3campo eléctrico en el aislante
r [mm]
inte
nsid
ad d
e c
am
po [
KV
/mm
]
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Equipotenciales en un cable apantallado de
“campo radial”
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Equipotenciales en un
cable apantallado de
“campo NO radial”
Detalle equipotenciales y lineas de campo eléctrico en t3
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Capacidad del cable y medida de tangente de delta
2
02
1CUEd
V
d dVrEE )(2
1 2
V
d
r
rLn
hUdhrd
r
r
rLn
UE
0
1
2
0
2
0
12
2
0 1
2
1
0
1
2
r
rLn
C
[F/m]
h
E(r)
r0
r1
r
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IcId
UoIr
tg00 crd IUIUW CUIc 0
CUWd tg2
0 Pérdidas dieléctricas (W/m)
mF
r
rLn
C /2
0
1
Capacidad del cable y medida de tangente de delta
mr
rLnR /
2 0
1
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Efectos de los distintos
sistemas de aterramiento
y continuidad de
pantallas
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1) Pantalla no aterrada:
• Si la pantalla no está aterrada, el potencial de la misma
queda “flotante” en un valor entre tierra y el potencial
de fase
• Este potencial depende de la capacidad entre la
pantalla y el conductor, y de la capacidad entre
pantalla y tierra
• Esta situación es muy peligrosa, ya que el potencial
sobre la cubierta del cable no queda controlado, y
ademas se originan corrientes superficiales que dañan
los cables.
• En conclusión: la pantalla debe estar aterrada en al
menos un extremo !!
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Ejemplo de tracking
(corrientes superficiales) en
la cubierta de cables MT
con pantallas no aterradas
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2) Pantalla aterrada en un extremo:
• Si la pantalla está aterrada en un solo extremo, se
induce en la pantalla un potencial debido a la corriente
en el conductor
• Este potencial es proporcional al largo del cable y por
supuesto, a la dicha corriente
• Precauciones deben tomarse para evitar que ese
potencial sea peligroso y/o dañe la cubierta del cable
(peor caso: cuando por el conductor del cable esta
pasando una corriente de cortocircuito)
• Por ejemplo: uso de descargadores en el extremo no
aterrado
• En el caso de tramos cortos, el efecto es despreciable
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Como estimar el potencial inducido
hr
dLnjIjUind RshR
1
0
2
f.e.m inducida en la pantalla
de la fase R
h= largo del tramo de cable
d= distancia ente fases (caso tresbolillo)
r1 = radio de la pantalla del cable
Obs: separar las fases de los cables, aumenta el potencial inducido
por metro (ademas de la propia inductancia de la terna)
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3) Pantalla aterrada en ambos extremos:
• Se elimina el problema de las tensiones potencialmente
peligrosas en la pantalla y sus consecuaencias
• Pero ahora aparece una corriente inducida en la pantalla, que
debe tomarse en cuenta a la hora de calcular las pérdidas del
cable.
• La pérdida adicional WshR se expresa como un coeficiente 1
multiplicando las pérdidas en el conductor (1 *WR)
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3) Pantalla aterrada en ambos extremos:
0 shRshshR IRj
hr
dLnIjh
r
dLnIjj shRRshR
1
0
1
0
22
Ahora se cumple:
...y ahora la f.e.m. Inducida vale:
Donde:
Rsh = resistencia por unidad de longitud de la pantalla
IshR =correinte por la pantalla de la fase R
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3) Pantalla aterrada en ambos extremos:
1
0
2 r
dLnX sh
Llamando
0 shshshRRsh jXRIIjX
se tiene que:
shsh
Rsh
shR
XR
IXI
22
1
1...
2
222
22
22
22
sh
shR
shR
shsh
RRsh
R
sh
shsh
Rsh
shshR
X
RR
RW
XR
RIX
R
R
XR
IXRW
1
1
2
21
sh
shR
sh
X
RR
R
1 RshR WW siendo
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4) Entrecruzamientos de Pantallas (“crossbonding”)
RST
IR
IS
IT
IshTIshS
IshR
Tramo I Tramo II Tramo III
• Se puede demostrar que las corrientes en las pantallas se anulan
•Se utiliza asociado al tendido plano con fases separadas, de forma de
maximizar la corriente admisible (minimizando pérdidas y acople
térmico a la vez)
•Desventaja: implica cajas de empalme especiales
•Generalmente se usa en sistemas de cables unipolares de 60 kV o mas)
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Cálculo de las corrientes
admisibles en cables
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Elementos que intervienen:
• Material y seccion del conductor
•Dimension y tipo de aislante
•Seccion de la pantalla
•Espesor y tipo de cubierta
•Tipo de conexión de las pantallas
•Profundad de enterrado
•Separacion de las fases (unipolares)
•Resistividad térmica del terreno
circundante (cables directamente
enterrados)
•Temperatura del medio ambiente
•Exposicion a otra fuentes térmicas
(radiacion solar en cables instalados al aire)
Los fabricantes garantizan la corriente admisible a través de tablas según variacion de
estos parámetros (para régimen permanente de carga) Veremos el circuito térmico a
partir del cual se estima la misma.
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I²R
Wd/2
Wd/2
T1 T3 T4 cond.
pantalla
amb.del
terreno
I²R
Circuito térmico equivalente (IEC 60287) terna de cables
directamente enterrados
Donde:
cond = Temperatura del conductor [ºC]
pantalla = Temperatura en la pantalla metàlica [ºC]
amb = Temperatura ambiente (terreno) [ºC]
T1 = Resistencia térmica del aislante [ºC.m/W]
T3 = Resistencia térmica de la cubierta [ºC.m/W]
T4 = Resistencia térmica del terreno [ºC.m/W] (*)
I²R = Pérdidas Joule en el conductor [W/m]
Wd = Pérdidas en el dieléctrico [W/m]
1 I²R = Pérdidas Joule en la pantalla [W/m] (**)
(*)- incluyendo en este parámetro el efecto térmico de las otras fases
(**) – Para pantallas aterradas en un solo extremo 1 = 0
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I²R
Wd/2
Wd/2
T1 T3 T4 cond.
pantalla
amb.del
terreno
I²R
Circuito térmico equivalente (IEC 60287) terna de cables
directamente enterrados
1
2
2 T
WRI
pantallacondd
43
.
1
2
12 TTT
WRI
ambpantallapantallacondd
4311
431
.
1
2
TTRTR
TTT
W
Idambcond
...operando en base a estos dos balances de potencia, se llega
a despejar la corriente admisible (fórmula de IEC 60287)
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Regímenes transitorios
Para ver el comportamiento transitorio de las
temperaturas es necesario modelar incorporando las
“capacidades térmicas” del cable y el terreno
circundante
El cálculo para regimen permanente no contempla:
1) Condiciones de emergencia: cable falla y las cargas deben ser transferidas a otros cables con el
objetivo de continuar con el servicio
En este caso se estudia la respuesta térmica del sistema de cables a una entrada de tipo “escalón”
2) Regímenes de carga cíclica, o sea el estado de funcionamiento normal del sistema.
La forma de estudiar este fenómeno es reducir la variación temporal de la corriente a una secuencia de
intervalos de tiempo en los que ésta permanece constante (escalones). El estudio se basa en la respuesta del
sistema a una entrada de tipo “escalón” y luego se aplica superposición para obtener la evolución de las
temperaturas del sistema.
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Ta Tcd
Td
I²R
Qa Qb
Tb
I²R
Qc Qd Qe
Tecpa
...el modelo del cable (incluyendo la posibilidad que estuviera dentro de un
ducto) sería el siguiente:
Donde:
- incremento de temperatura del conductor respecto de la temperatura de la cubierta (o ducto, si existe)
a - incremento de temperatura del punto “rm” del aislante, respecto de la temperatura de la cubierta (o ducto, si existe)
p - incremento de temperatura de la pantalla metálica respecto de la temperatura de la cubierta (o ducto, si existe)
c - incremento de temperatura de la superficie exterior de la cubierta respecto de la temperatura de la superficie exterior
del ducto, si existe éste (si no existe ducto vale cero, porque la referencia sería entonces cub)
d - incremento de temperatura de la superficie interior del ducto respecto de la superficie exterior del mismo, si existe
éste (si no existe ducto vale cero, porque la referencia sería entonces cub)
Las resistencia térmicas Ta...Te y las capacidades térmicas Qa...Qe representan en el modelo
los distintos componentes del cable y eventualmente al ducto
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El modelado del terreno es complejo, y de hecho deberia “acoplarse” luego del modelo del
cable. En un modelo aun mas simple si R1, C1 representa el cable y R1, C2 el terreno circundante,
el modelo sería:
No obstante, la norma IEC60287 simplifica el modelo a uno equivalente, “desacoplando” el
problema (esto es válido porque la inercia térmica del terreno circundante es mucho mayor que la
del propio cable, C2>>C1)
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tiempo
t1
Wc0
Wc1
c(t)
Regimen de emergencia: Dadas las pérdidas del cable (Wc)
podriamos usando el modelo calcular la evolución de la temperatura
en el conductor.
Debe verificarse que ésta nunca alcance la temperatura máxima
admisible en el tiempo que dura el régimen de emergencia
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Carga cíclica
•Partiendo de unas pérdidas promedio del ciclo (tipicamente
diario) se superpone el efecto de varios “escalones”
•Al cabo de unos pocos ciclos la evolucion de la temperatura del
conductor tambien se vuelve periodica
•Nuevamente el criterio es verificar que dicha temperatura
nunca alcance la maxima admisible