cables subterraneos

7/17/2019 Cables subterraneos

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CABLES SUBTERÁNEOS

Elementos constitutivos de un cable

Elección del tipo de metal del conductor

Cables subterráneos de campo radial y cables subterráneos decampo no radial

Algunos datos importantes

Características de cables armados subterráneosNorma IRAM 2178

Protección de CAS

Verificación al calentamiento de un CAS

Verificación de la caída de tensión de un CASPuesta en servicio de CAS

Prof. Ing. ROBERTO CAMPOY



2

Elementos constitutivos de un cable

El conduc tor

La aislación

Policloruro de Vinilo

(PVC), PolietilenoTermoplástico (PE),

Polietileno Reticulado

(XLPE).

Capas de

homogeneización

(semiconductora).Rellenos y

revest imientos

B lin daje m etálic o

(malla)Valor normativo fijado es

< a 3,3 Ohm / km, lo que

representa una sección

mínima de 6 mm2.

Arm adu ra metálic a

Vaina exterio r



3

Elecci n del tipo de metal del conductor

LADO POSITIVO DELCOBRE

LADO POSITIVO DELALUMINIO

Baja resistencia de

tracciónBaja resistencia a la

oxidación

Difusión de gases

Baja resistencia a la

tracción

Alta conductividad

eléctrica Alta conductividad

térmica

Permite optimización del

volumen

Fácil de soldar Fácil de trabajar

Buena resistencia a la

corrosión

Bajo peso específico

Bajo costoPermite optimización en

peso



4

Característica Unidad Cobre Aluminio

Peso específico g/cm3 8.89 2.20

Temperatura de fusión ºC 1083 658

Calor específico cal/g ºC 0.093 0.022

Coeficiente de expansión lineal 1/ºC 1.5 e-5 2.3 e-5

Resistencia a la tracción MPa 262 82.7

Alargamiento a la rotura % 15 - 35 10 –

30

Conductividad a 20 ºC IACS 100 65.5

Resistividad a 20 ºC mm2/m 0.0172 0.028

Coeficiente de Variación de la resistividad con la temperatura 1/ºC 0.00397 0.00406

Para la misma caída de tensión Cobre Aluminio

Relación de diámetro 1 1.27

Relación de sección 1 1.63

Relación de peso 1 0.50

Para la misma intensidad de corriente Cobre Aluminio

Relación de diámetro 1 1.19

Relación de sección 1 1.42

Relación de peso 1 0.40



5

Cables subterr neos de campo radial y cablessubterráneos de campo no radial

En un cable unip olar , las

líneas de fuerza del campo

elec tro státic o ti enen el

aspecto representado en la

figu ra, es decir, se trata de un

campo radial , establecido

en tre la m asa metálic a del

cond uctor y la envol tura

metálica exteri or . Por lo tanto,

lo s es fuerzos eléct ric os a es te

campo electrostático sólo s on

sopo r tados por el ais lamiento

del cond uctor .



6

En un c able tripolar, destinado a

transpor tar una cor rient e trifásic a,

con ais lamiento conjunto de los

tres conducto res, el campoelectr os tático tiene la fo rm a

representada en la Figura, ya que

no se trata de un campo radial sino

qu e cada línea de fuerza puede

descomp onerse en dos

componentes, una perpendicular y

la otra tangencial al aislante

común. Esta desigualdad en laslíneas d e fuerza es d ebi da a que

los po tenciales existentes entre

cada uno de los cond uctores y la

envo ltur a metálica exteri or , no son

sim ultáneamente igu ales , debido al

desigual reparto d e tensiones

existentes en todo sistematrifásic o; po r ejemplo , si en un

momento dado, la tensión

existente en el condu ctor R es +U ,

la tensión existente en cada uno de

los conduc tor es S y T será,

precisamente, - U/2 .




7


Höch städter fue el

pr imero en reconocer

que un cab le debería

estar sol ic i tado

solamente en sent ido

perpendicular a la capa

aislante para lo qu e,

sob re la capa aislante

de cada conduc tor,

envolv ió una banda depapel metal izado o

bi en una fi nísima hoja

metálica , es dec ir

com o si s e trataran d e

tres con ducto res

unipo lares con una

cubierta común ; laforma del campo

res u ltan te es tá

representada en la

f igu ra, es decir, se trata

de tres campo s

radialesindependientes.



8


La cub ierta de plomo ó la pantal la

metálic a, además de suponer una

protec ción mecánic a, prod uc e un a

distr ibuc ión radial del camp oeléct ric o y co nt ro la el rep arto

long itu di nal d e la tensión di eléct ric a.

Las co nd icio nes eléctr icas de u n

cable con cubierta de plom o ó con

pan talla m etálica sob re su

aislamiento , son bastante diferentes

a las qu e se presentan en las

terminaciones d e cable, don de la

cu biert a metálica (pl om o o pan talla)

se interrumpe brus camente . En

estos pun tos el potencial del

cond uc tor será igu al a la tensión d e

trabajo, mientras qu e el potenc ial dela cu biert a metálica, p ues ta a tier ra

será cero . Sin embargo entr e ambos

exis tirán in fini tas superfic ies

cilínd ric as equ ipo tenc iales.



9


El c ampo eléctr ic o se

concen tra fuertemen te en el

bo rde de la cu biert a metálica yse va dispersando

gradualmente a lo largo d el

extremo del cable, desprov isto

de cubierta. En la Figur a se

aprecia claramente la

distr ibuc ión del camp o

eléctr ic o a t ravés de los dos

di eléct ric os , aire y aisl am ien to

del c able. Examinando esta

distr ibuc ión, se obs erva que la

tensión por unidad (es decir,

la intensidad de campo ) sobre

el aislam iento, es muy elevadaen el borde de la cub ierta

metálic a B y d ecrece

consid erablemente al l legar a

la punta A.



10

8”



11


Al d i



12


Al d t i t t



13


C t ti d bl d bt



14

Caracter sticas de cables armados subterr neos

Factor geométrico (G)La relación entre el espacio formado por la cara interna de la pantalla y la cara exterior del

conductor en un conductor simple con pantalla, se expresa por G .

d

ri2log303,2G 10

Figuras E y F

Sec+ y Sec -

C t ti d bl d bt



15


La resistencia de secuencia negativa y de secuenc ia posit iva incluid o el efecto de la pantal lapara un con ductor sim ple es:

en ohm por fase y por milla

donde rc es la resistencia en corriente alterna del conductor solamente incluido el efecto skin.

Esto es para una disposición equilátera. (xm =reactancia mutua entre conductor y pantalla;

rs =resistencia de pantalla)

Las pérdid as en la vaina para cond ucto res tripo lares es desp reciable y solamente si so n muy

largos , a las pérd idas normales se le debe agregar un 3% a un 5 %.

r rcrs xm

rs xmrcra

22

2

C t ti d bl d bt



16


Faja metálica

Faja aislante

Reactancia de secuenciapositiva y de secuencia

negativaPara conductor simple:

Para conductor tripolar:

22

C1

C310

rsxm

xm

GMR

GMDlog

60

f 2794,02x1x

C1

C310

GMR

GMDlog

60

f 2794,02x1x

C t ti d bl d bt



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Cable de tres conductoresEl circuito equivalente para circuito simple de cable de tres conductores sólidamente conectados a

tierra por sus pantallas, es mostrado en la Figura A y B.

La impedancia de un g rupo de tres condu ctores paralelos, considerando la presencia del

retorn o por tierra, pero igno rando por el momento la presencia de la pantal la, es dada en laecuación 1 y 2.

La impedancia mutua entre cond uctor y pantalla, considerando la presencia del retorno p or

t ierra el cual es común para ambos, cond ucto res y pantal la, es:

rc=fase, re=tierra;xa=fase;xe=tierra

c

eecc

GMR

D f jr r Z

3

10log*60

*8382.0d eaecc x x x jr r Z *2

io

eem

r r D f jr Z *2log*

60*8382.0 10



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El circuito equivalente de la Figura D es la conversión de la figura de arriba, Figura B, que combina

la impedancia mutua en una sola serie de elementos comunes.

Para este circuito , ambo s cam inos d e retorno , tierra y pantal la, la impedanc ia de secuenc ia

cero es:

Si la cor riente retorna solo p or la pantal la es:

Si la corr iente retorna solo por la t ierra y no por la pantal la, y en todo caso con cable no

fajados o con ais lac ión sin cubierta y po co espaciados, la impedancia de secuencia cero es:

s

mm smco

Z

Z Z Z Z Z Z

m smco Z Z Z Z Z

mmco Z Z Z Z



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Figuras E, H

Cable de

campo NO

radial

Cables de

campo radial

Las capacitancias shunt positivas, negativas y de secuencia cero para un conductor simple, con pantalla, son

iguales y puede derivarse de la curva de la Figura E. Para los cables fajados de tres conductores y de sector circular,

es similar que el cable de un simple conductor y cada fase es envuelta por la cobertura metálica puesta a tierra; por lo

tanto la reactancia de secuencia positiva, negativa y de secuencia cero son iguales y dependen del factor geométrico

relativo propio del conductor. El factor geométrico del cable de tres conductores fajado, de conductor sectorial es

aproximadamente igual al del conductor circular.Para un con ducto r único o tres co nduc tores fajados (o s ea cable de campo radial) , según la Figura E, las

capacidades de secuencia directa, inversa y hom opolar so n:

G

k C C C .0892.0021

k f

G x x x

*

79.1´0´21́

Km F

mmlconductor diametrode

mmapantallardebajodel diametropo

k C e /10

)(

)(ln

.56,5 2

Km F

a Rr nductoradiodelcoa Rlableypantal centrodecaatoresosdeconducentrecentr

k Cg /

)27()())(3()(ln

.111,0

662

3222

ctoresentreconduerior antallaext conductorp g E C C C C C 330

C t í ti d bl d bt á



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Características de cables armados subterráneos

NORMA IRAM 2178



21

NORMA IRAM 2178



22



23

TIPO DE AISLANTE TEMPERATURA DEOPERACIÓN NORMAL

TEMPERATURA DESOBRECARGA DE

EMERGENCIA

TEMPERATURA DECORTOCIRCUITO

PVC 70 ºC 100 ºC 160 ºC

XLPE 90 ºC 130 ºC 250 ºC

CAUCHO ETILENO

PROPILENO (EPR)

90 ºC 130 ºC 250 ºC

ACEITE 70 ºC 90 ºC 160 ºC

NORMA IRAM 2178

Sobrecarga de emergencia: es la máxima temperatura que se puede

alcanzar bajo condiciones de tiempo de funcionamiento y frecuencia de

ocurrencia del fenómeno. Esta exposición a las condiciones que dan la

temperatura no debe ser mayor a 100 horas en un año ni mayor a 500

horas en toda la vida útil del cable.

Cortoc i rcui to: es la temperatura máxima a alcanzar en condición de

cortocircuito durante un tiempo máximo de 5 segundos.

Protecci n de CAS



24

SSC 70

tmin I( )

tmax I( )

I

0.1 1 10 1001 10

3

0.01

0.1

1

10

100

1 103

1 104

1 105

Protecci n de CAS

tITi

Tf ln1kS

2

1

2

1

maxTi

maxTf ln1kmaxk 2

1

minTi

minTf ln1kmink

tImaxkS tIminkS

22

2

InI

1

maxk

Smaxt

22

2

InI

1

mink

Smint

Método desarrollado y aplicado en La

Cooperativa, Empresa Eléctrica de

Godoy Cruz, por el Prof. Ing. Roberto

Campoy, en vigencia desde hace 20

años en al mencionada empresa con

óptimos resultados. Se remite al lector a

consultar la Norma IEC 60287.

Curva mínimaCable aislación en aceite

Timin = 70 ºC; Tfmin = 71 ºC

a 72 ºCCable aislación seca

Timin = 90 ºC; Tfmin = 91 ºC

a 92 ºC

Curva máximaCable aislación en aceite

Timax = 70 ºC; Tfmax = 90 ºC

Cable aislación seca

Timax = 90 ºC; Tfmax = 130

ºC

Protecci n de CAS



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Protecci n de CAS

Corriente admisible por la pantalla:Determinación de la sección de la pantalla:

Según datos técnicos de fabricantes de cables, el espesor de la pantalla de plomo de un cable armado subterráneo aislamiento papel –

aceite de 3x185 mm 2 (consid erado sin protecc ión de plástico ) es de 2,3 mm .

El diámetro del c able comp leto es (consid erando el fleje y sin proy ección de plástico ) 63,1 mm.

Por lo tanto la sección viene dada por:

k1 = 24,2 para el plomo (constante del material)

k2 = 1,62 para el plomo (coeficiente de temperatura) Para cable de plomo y 100 mseg y k3 = 0,9:

k3 = ver Tabla y gráfico

b = constante de apantallamiento = 0,38 para el plomo

ζk = espesor de la pantalla en mm = 2,3 mm

Cte de apanatallameinto/espesor depantalla

2224393,221,631,63

4mmS

16.03.2

38.0

Sk

bkA

t k k k

S I 39

1,09,062,12,24

439

321

Verificaci n al calentamiento de un CAS



26

Verificaci n al calentamiento de un CAS

Para la elección de un cable es necesario disponer de los folletos de los fabricantes a fin de

tener la corriente máxima admisible en caso de carga normal, y para cables subterráneos es

necesario conocer las características del terreno.

Las normas especifican una Temperatura del Terreno de 20º C y una Res is ti vi dad Térm ica del terreno de 100º C cm/W. Para condiciones distintas hay factores de corrección.

En cuanto al calentamiento del conductor o sea el alma del cable, no debe superar los 60º C. No

hay que confundir esta temperatura con la dada anteriormente que es la del aislante.

El Incremento de Temperatura del CAS, ∆T, se determina según la siguiente ecuación:

en ºC

Donde ΔTn es el incremento de temperatura en condiciones normales y su valor es de 40º C a

45º C, I es la corriente de sobrecarga del cable e In la nominal admitida para no romper el

equi l ibr io térm ico entre el Cu, su aislante, su rel leno, las mallas de con trol d e campo y d e

protec ción mecánic a y el terr eno .

Respetar esta condición hace que el paréntesis de la fórmula al cuadrado no supere el valor de1,5 , por lo que la corriente de sobrecarga en condiciones de no sobrepasar los 60º C, del cable

es no mayor a 1,22 veces la In .

Evidentemente esto no contempla lo que ocurre en el aislante del cable ni lo que ocurreintroduciendo la variable tiempo, ya que como se dijo, son condiciones estables de

funcionamiento. Por estos motivos se conformó anteriormente la curva I 2 t del CAS.

2

In I TnT 2)22,1(4060

Verificaci n de la ca da de tensi n de un CAS



27

Verificaci n de la ca da de tensi n de un CAS

Responde a la siguiente fórmula

Los valores de R y X salen de los folletos de los

fabricantes.

sen X Rmetros Longitud A InVolt V )(cos)()().(3)(

Puesta en servicio de CAS



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La reflectometría es un método de localización de fallas en cables subterráneos. Realizar unensayo reflectométrico previo a la puesta en servicio de un cable, tiene por finalidad determinar

las características del cable, la ubicación de empalmes en la traza del cable, las distancias entreéstas, la velocidad de propagación de la onda y la longitud total del mismo.

Es importante que la planimetría del tendido del cable sea lo mas detallada posible para poderfacilitar la búsqueda de fallas a posteriori.

Los equipos de reflectometría hacen uso de los fenómenos de propagación de ondas.Éste metodo permite visualizar la totalidad, o alguna parte, del reflectograma del cable bajo

ensayo sobre la pantalla del un osciloscopio




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El impulso reflejado es una típica señal de cada tipo de discontinuidad, o falla en el cableLa interpretación del reflectograma así obtenido, puede hacerse con la ayuda de un gráfico de la

instalación del cable, por comparación de posiciones empalmes y las entregadas por el

reflecograma.Tanto el final del cable como los empalmes presentan una impedancia característica distinta a la

del cable, este cambio de impedancia se verá reflejada por el reflectómetro. Amplitudescomparables entre el final del cable (circuito abierto) y los empalmes representan variaciones

importantes en el cambio de impedancia, y por lo tanto posibles puntos de falla, en estascondiciones y con diferencias del 20 %, debe considerarse realizarlo nuevamente.




30


Estando el capacitor cargado, un acercamiento del electrodo móvil E hace que la

energía almacenada en el capacitor Cg se descargue en la fase a ensayar y el

frente de onda viaje hacia la falla a la velocidad Vf . Si la amplitud del impulso

aplicado es mayor que la tensión de cebado de la falla, cuando éste llegue a lamisma, provocará un arco que refleja la onda incidente hacia el generador igual que

en la Reflectometría Convencional.




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Puesta en servicio de CASEL USO DE FECUENCIAS DE 0,1 Hz, PARA VERIFICACIÓN DE CAS, EN

CUANTO A PÉRDIDAS DIELÉCTRICAS Y LOCALIZACIÓLN DE FALLAS.M. Muhr, C. Sumereder, R. Woschitz

Institute of Electrical Power Systems anci High Voltage Engineering

Resumen

Hay varios requerimientos para ensayar un CAS, en campo. El equipo de medición

debe ser transportable, la longitud del CAS puede demandar compensaciónde la capacidad del mismo, lo cual debe resolverse, y el resultado de la

medición debe ser de fácil interpretación. Hoy en día el diagnóstico de la

aislación de un CAS, tiene que ser hecha en donde se produjo la falla. Hastaahora el método de ensayo, con frecuencia de potencia, o sea a 50 Hz, es el

que comúnmente se usa.

Ensayo de CAS

Generalmente no se requieren ensayos del CAS antes de ponerlos en operación,

pero es útil a fin de minimizar las fallas. Los ensayos más importantes para

evaluar las condiciones de cables mallados y con aislamiento en XLPE son:

Insulation resistance (resistencia de aislamiento). Electrical strength (rigidezdieléctrica)




32

Puesta en servicio de CASENSAYOS

Freguency 50Hz 0,1 Hz Voltage 2 x U0 3 x U0, Breakdown (Destructivo) yes/noyes/no.

La tensión aplicada para 0,1 Hz, es 1,5 veces mayor que para 50 Hz, y el tiempo

de aplicación el mismo. El valor de la rigidez dieléctrica, es solo para sabersi el cable pasa o no el ensayo. El estado referido a la condición de

resistencia de aislamiento, no puede ser hecho con este tipo de ensayo.

Comparación de lo s ensayo s a 50 Hz y 0,1 Hz

Haciendo la comparación entre los dos métodos, tiene ventajas el de 0,1 Hz,

ya que la frecuencia es 500 veces menor y aunque la tensión es un 50 %mayor, la energía puesta en juego es 222 veces menor.

Por esta razón el equipo es mucho más pequeño. En sistemas de distribución con

longitudes de cables grandes, se tienen capacidades de carga importantes. Si

este valor es grande, en 50 Hz, es posible que no se alcance el requerimiento

de tensión necesario para el ensayo.

Usando equipamiento de 0,1 Hz, esto no solo es posible sino que además se

puede decidir si el cable pasa o no el ensayo de aislación.

Opcionalmente pueden determinarse:Tangente δ.

Descargas Parciales (PD).Localización de fallas.




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Puesta en servicio de CASNORMA AEA

Se adjunta lo que especifica respecto a los ensayos, y de esto rescato

la referencia a las dos Normas extrajeras, IEC e IEEE, con lo cual en mi

opinión deberíamos instrumentar los siguientes ensayos a partir de lacompra del nuevo equipamiento:

1) ENSAYOS DE TENSION RESISTIDA (WITHSTAND TESTS); Aquellos ensayos que pueden ser realizados tanto en CC -VLF y/o CA

50Hz, y cuyos resultados deberán ser del tipo ruptura o no ruptura,

excluyendo consideraciones de carácter predictivo, y categorizados

como “Ensayos de tipo Destructivo”, significando esto, que por la

ejecución del propio ensayo, la muestra puede ser perforada, obligando

a su reparación y re-prueba (repetición del ensayo) antes de la puesta

en servicio.

2) ENSAYOS DE ACEPTACION (ACCEPTANCE TEST); Aquellos que

se realizan después de que el cable ha sido instalado, incluyendo susempalmes y terminales, pero antes de que sea puesto en servicio por

primera vez, aclarando que el objeto del ensayo es solo el de exponer o

descartar errores cometidos o defectos surgidos durante su instalación.




34

Puesta en servicio de CAS3) ENSAYOS DE INSTALACION, (INSTALLATION TEST), Aquellos

ensayos que se realizan al cable, (únicamente), pero antes de la

ejecución de empalmes y terminales, aclarando que el objeto del

ensayo es solo el de exponer o descartar errores cometidos, o defectossurgidos durante su instalación almacenamiento y/o traslado.

4) ENSAYOS DE MANTENIMIENTO (MAINTENANCE TEST), Aquellos

que se realizan durante la operatoria normal de cable o vida útil del

tendido, (servicio); y cuyo objeto es solo detectar un deterioro del

sistema, o su confiabilidad inmediata para seguir en servicio.

5) ENSAYOS DE TIPO O CATEGORIA DESTRUCTIVA: Aquellos que

por su aplicación, incluyen la probabilidad de que la muestra pueda ser

perforada, obligando a su reparación y re-prueba (repetición del ensayo)

antes de la puesta en servicio.

6) VLF: Tensión de prueba de frecuencia alternada, desde 0,01Hz a

1Hz, con formas de ondas del tipoSINUSOIDAL

COSENO RECTANGULAR

BIPOLAR RECTANGULAR

ESCALONES DE ALTERNANCIA NEGATIVA Y POSITIVA.



35

MUCH S

GR CI S

cables subterraneos

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