sesion 3 - curso de formacion en cables de energia para media y alta tension

Mayo 2010

Manuel Llorente

SISTEMAS DE CABLES DE ENERGÍA

PARA MEDIA Y ALTA TENSIÓN

3ª Sesión

http://www.leonardo-energy.org/espanol/?p=191

en ESPAÑOL

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Índice

Materiales aislantes– Papel impregnado– Aislamientos poliméricos extrusionados

Propiedades de los materiales aislantes

Análisis de los tipos de cables


Materiales aislantes

Papel ImpregnadoPapel Impregnado Polímero Extrusionado

Polímero Extrusionado

Con mezcla no migrante Con aceite fluido

Polietileno Reticulado (XLPE) Goma Etileno Propileno (HEPR) Polietileno Termoplástico de alta

densidad (HDPE)


Papel impregnado con mezcla no migrante

Papel ImpregnadoPapel Impregnado

Con mezcla no migrante

Actualmente, con carácter general, han dejado de fabricarse este tipo de cables, aún cuando todavía están prestando un servicio satisfactorio muchos miles de kilómetros.

Estos cables aislados con papel impregnado con mezclas de aceites minerales y resinas empezaron a utilizarse para la incipiente alta tensión (10 kV) a finales del siglo XIX.

Su inconveniente era que, debido a la reducida viscosidad de la mezcla de impregnación, en el caso de que se produjeran fisuras en las cubiertas de plomo, se perdía mezcla.

Hacia los años sesenta del siglo XX se desarrollaron mezclas de alta viscosidad que obviaban este problema.


Papel impregnado con aceite fluido


Con aceite fluido (cables OF)

Tanto en un tipo de mezcla de impregnación como en el otro, al utilizar tensiones cada vez más elevadas, era necesario emplear gradientes eléctricos más elevados para mantener los diámetros de los cables en dimensiones razonables.

Se llegó a valores del orden de los 3 kV/mm. En este caso cuando el cable entra en carga se calienta, el volumen de la mezcla aumenta deformando el tubo de plomo. Al descargarse el cable, la mezcla se enfría reduciendo su volumen.

Como el plomo no es elástico, aparecen vacíos en los que se presentan fenómenos de ionización, (descargas parciales) que pueden destruir el cable.


Papel impregnado con aceite fluido


Con aceite fluido (cables OF)

Ionización : este problema se resolvió utilizando aceites de impregnación muy fluidos en cables que contaban con conductos que permiten el libre desplazamiento del exceso de volumen que se produce cuando el cable se calienta. Este exceso de aceite se recoge en unos depósitos de expansión, desde donde vuelve al cable cuando baja la temperatura y se reduce el volumen.

Con este tipo de cables se han alcanzado tensiones próximas al millón de voltios y, en España, están prestando servicio desde hace muchos años, con un comportamiento plenamente satisfactorio, cables de 400 kV, que es la máxima tensión utilizada en dicho país.


Aislamiento polimérico extrusionado

Años 60 : desarrollo de los denominados “aislamientos secos”

Objetivo : métodos de instalación más sencillos y económicos, accesibles a personal menos cualificado, sin necesidad de un sellado hermético de las cubiertas y un control y mantenimiento menos exigente.

No se han cumplido todas estas expectativas. Algunos de estos aislamientos en contacto con el agua presentan comportamientos inadecuados a tensiones iguales o superiores a 20 kV, lo que obliga al empleo de cubiertas metálicas o barreras contra la penetración de humedad y la confección de empalmes y terminales sigue requiriendo un cuidado exquisito



Resultados muy positivos durante los últimos treinta años,

por lo que actualmente se considera una

alternativa válida a los cables de papel

impregnado


Polietileno Reticulado (XLPE)




El polietileno termoplástico (PE) fue el primer polímero en el que se depositaron grandes esperanzas en los años 60

Resistencia de aislamiento, permitividad y factor de pérdidas

Reblandecimiento ligado a su peso molecular, esto es, a la longitud del polímero. Era necesario emplear materiales con largas cadenas de carbonos muy difíciles de conseguir en la práctica, pues al llegar a ciertas dimensiones estas cadenas se rompían haciendo imposible la fabricación de cables con temperaturas de servicio adecuadas.






La tecnología logró más tarde enlazar entre si varias cadenas de polietileno de corta longitud para obtener un compuesto de elevado peso molecular y, por lo tanto, un aislamiento con una temperatura de servicio mayor con las mismas características eléctricas del polietileno termoplástico.

Estamos hablando del polietileno reticulado (XLPE).

Sus inconvenientes más destacados: presenta una cristalinidad elevada, lo que le proporciona una rigidez mecánica incomoda para el manejo del cable, y es muy sensible a la humedad.


Goma Etileno-Propileno De Alto Módulo (HEPR)



Goma Etileno-Propileno De Alto Módulo (HEPR)

La goma etileno-propilénica también es un aislamiento extrusionado.

Se trata de una mezcla obtenida polimerizando los monómeros etileno-propileno o etileno-propileno-dieno, junto con otros ingredientes.

Uno de estos, como en el caso anterior, es un peróxido orgánico que reacciona a la temperatura de extrusión, durante el proceso de fabricación, formando enlaces cruzados y transformando el material en un elastómero.

Otros aditivos : una buena resistencia al agua.

De hecho, EPR es una denominación genérica que describe una familia de materiales, cuyo comportamiento final depende de la experiencia del fabricante.


Polietileno de Alta Densidad (HDPE)



Polietileno de Alta Densidad (HDPE)

Goma etileno-propileno : características eléctricas sean algo inferiores a las del polietileno termoplástico o reticulado

Polietileno de alta densidad (HDPE) : este material se elabora por medio de un proceso de polimerización catalítica distinto al que se utiliza para la fabricación del XLPE.

Presenta mayor nivel de cristalinidad (sobre el 90%), una mayor densidad, un mayor módulo de elasticidad y una temperatura de reblandecimiento de 110º a 130ºC.

Debe contener un antioxidante y también un 10% de su peso de un líquido de alta viscosidad, que se añade como estabilizador de tensión.


Índice





Propiedades mecánicas y térmicas de los materiales aislantes

Resistencia a la tracción, alargamiento y

módulos


módulosEnvejecimientoEnvejecimiento

Deformación bajo una carga de compresión

Deformación bajo una carga de compresión Dilatación térmicaDilatación térmica

Esfuerzos residualesEsfuerzos residuales Resistividad térmicaResistividad térmica

Mecánicas y Térmicas

1 2

3 4

5 6




módulos mecánicos


módulos mecánicosEnvejecimientoEnvejecimiento


Son propiedades mecánicas básicas. Su medida se efectúa sobre especimenes moldeados y sobre muestras cortadas de cables reales.

Se basa en la determinación de unos parámetros previamente definidos después de un periodo de envejecimiento acelerado. Sobre esta base se define una “curva de vida”, suponiendo un nivel dado como crítico sobre cada propiedad mecánica.

1 2




Esta propiedad es importante para determinar la capacidad del aislamiento para soportar la deformación resultante de una compresión externa o de los esfuerzos mecánicos producidos al curvarse el cable en su recorrido o debido a temperaturas de sobrecarga o de cortocircuito.

Esta característica se expresa habitualmente en función del coeficiente de dilatación cúbica medido sobre muestras del material.

La medida de la dilatación del diámetro del aislamiento de los cables reales es muy importante y la tecnología de fabricación del cable influye considerablemente.

Deformación bajo una carga de compresión

Deformación bajo una carga de compresión Dilatación térmicaDilatación térmica

3 4




Depende de la construcción del cable y de la tecnología de la fabricación, de la longitud de la muestra, pues la fuerza de retracción viene compensada por la fricción entre la capa de aislamiento y la superficie del conductor.

Crece al crecer la cristalinidad del material.

La resistividad térmica del aislamiento, en combinación con la de las capas semiconductoras interna y externa y la resistencia térmica del contacto con la pantalla y con las protecciones metálicas determina el salto de temperatura interna del cable.

Esfuerzos residuales (retracción del aislamiento)

Esfuerzos residuales (retracción del aislamiento)

Resistividad térmicaResistividad térmica

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Propiedades eléctricas de los materiales aislantes

Rigidez dieléctricaRigidez dieléctrica Exponente de vidaExponente de vida

Resistencia a las descargas parciales

Resistencia a las descargas parciales PermitividadPermitividad

Factor de potencia o tgδFactor de potencia o tgδ

Eléctricas

1 2

3 4

5



Rigidez dieléctricaRigidez dieléctrica Exponente de vidaExponente de vida

Eléctricas

1 2

Es la capacidad del dieléctrico para soportar los esfuerzos eléctricos aplicados al cable, tanto en condiciones de servicio normal como extraordinarias.

Se mide sobre muestras reales de cable, aplicando tensiones de corriente alterna progresivamente crecientes hasta alcanzar la perforación.

La rigidez del dieléctrico decrece lentamente a lo largo del tiempo debido a su envejecimiento térmico y eléctrico. Esto se determina efectuando ensayos de larga duración en c.a. para diferentes niveles de sobretensión y trazando una curva en función de la tensión o de la rigidez dieléctrica. El exponente de vida es la inversa de la pendiente de esa curva.



Eléctricas

Ligeras imperfecciones en los empalmes pueden provocar descargas mensurables, incluso a la tensión de servicio.

Sin embargo, en los cables modernos de gran calidad, las descargas que se producen presentan un valor por debajo del umbral de sensibilidad del detector.

Esta propiedad puede medirse fácilmente sobre muestras planas y ser verificada sobre muestras de cable.

Los valores típicos expresados como permitividad relativa pueden mostrar cierta variación sobre una curva representativa en función de la temperatura, aunque suele ser pequeña.

Resistencia a las descargas parciales

Resistencia a las descargas parciales PermitividadPermitividad

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Eléctricas

La medida del factor de potencia de los aislamientos, generalmente se efectúa en combinación con la de la permitividad.

Es importante tener en cuenta los efectos de la tecnología de la fabricación.

Su valor puede variar en función de la temperatura, aunque poco para los buenos materiales.

Factor de potencia o tgδFactor de potencia o tgδ

5


Otras propiedades de los materiales aislantes

Márgenes de temperatura

Márgenes de temperatura

Tensiones de servicio máximas admisibles

Tensiones de servicio máximas admisibles

Otras

Temperatura normal o de servicio permanente.

Temperatura de sobrecarga o emergencia (centenares de horas a lo largo de la vida del cable)

Temperatura de cortocircuito, con una duración del orden de un segundo.

Material aislante

Tensión más elevada(en kV)

XLPE 400

HEPR 160

HDPE 500


Índice





Reglamento en España

RD 223/2008Reglamento sobre condiciones técnicas y garantías de

seguridad en líneas eléctricas de alta tensión

RD 223/2008Reglamento sobre condiciones técnicas y garantías de

seguridad en líneas eléctricas de alta tensión

ITC-LAT 06 : LÍNEAS SUBTERRÁNEAS CON CABLES AISLADOS ITC-LAT 08 : LÍNEAS AÉREAS CON CABLES UNIPOLARES

AISLADOS REUNIDOS EN HAZ O CON CONDUCTORES RECUBIERTOS


Reglamento en España - ITC-LAT 06

RD 223/2008ITC-LAT 06

RD 223/2008ITC-LAT 06

Aplicable a íneas eléctricas subterráneas y a cualquier tipo de instalación distinta de las líneas aéreas, por ejemplo en galerías, en bandejas en el interior de edificios, en fondos acuáticos, etc.

Los cables serán aislados, de tensión asignada superior a 1 kV, y el régimen de funcionamiento de las líneas se preverá para corriente alterna trifásica de 50 Hz de frecuencia


Tipos de Cable

Resistente a la humedad.Estructura de la goma.Idóneo para instalaciones subterráneas en suelos húmedos, incluso bajo el nivel freático. Adecuado para instalaciones en las que el recorrido es muy sinuoso.

EPREPR XLPEXLPE HEPRHEPR

Características eléctricas notables, tanto de pérdidas en el dieléctrico, resistividad térmica y eléctrica como rigidez dieléctrica.La posible aparición de “arborescencias” en presencia de humedad obliga a utilizar diseños con protecciones adicionales contra la penetración de humedad (hydrocatcher)

Elevado gradiente eléctrico, lo que permite menores espesores de aislamiento.Temperatura de servicio de 105ºC, en lugar de 90ºC -> posibilidad de transportar más potenciaMenor diámetro -> más manejable, menos pesado y fácil de transportar, menor coste


Tipos de Cable – Temperatura máxima

Temperatura máxima asignada al conductor

Temperatura máxima asignada al conductor

Tipo de aislamiento

Condiciones

Servicio permanente θS

Cortocircuito θCC (t<5 s)

Politeno reticulado (XLPE) 90ºC 250

Etileno-propileno (EPR) 90ºC 250

Etileno-propileno de alto módulo (HEPR)

105ºC para UO/U < 18/30 kV90ºC para UO/U > 18/30 kV


Tipos de Cable – Tipo de Instalación

Instalación enterradaInstalación enterrada

Directamente enterrados en toda su longitud a 1 metro de profundidad (medido hasta la parte superior del cable), en un terreno de resistividad térmica media de 1,5 K•m/W, con una temperatura ambiente del terreno a dicha profundidad de 25ºC y con una temperatura del aire ambiente de 40ºC.

Instalación al aireInstalación al aire

Instalados con una colocación tal que permita una eficaz renovación del aire, protegidos del sol, siendo la temperatura del medio ambiente de 40ºC. Por ejemplo, con el cable colocado sobre bandejas o fijado a la pared, etc.

A efectos de determinar la intensidad máxima admisible, se considerará una instalación de cables con aislamiento seco hasta 18/30 kV formada por un terno de cables unipolares agrupados en contacto mutuo, instalados como se indica a continuación:


Tipos de Cable – Intensidad máxima para cables enterrados

Sección mm2

EPR XLPE HEPR

Cu Al Cu Al Cu Al

25 125 96 130 100 135 105

35 145 115 155 120 160 125

50 175 135 180 140 190 145

70 215 165 225 170 235 180

95 255 200 265 205 280 215

120 290 225 300 235 320 245

150 325 255 340 260 360 275

185 370 285 380 295 405 315

240 425 335 440 345 470 365

300 480 375 490 390 530 410

400 540 430 560 445 600 470

Intensidades máximas admisibles (A) en servicio permanente y con corriente alterna. Cables unipolares aislados de hasta 18/30 kV directamente enterrados

Intensidades máximas admisibles (A) en servicio permanente y con corriente alterna. Cables unipolares aislados de hasta 18/30 kV directamente enterrados


Tipos de Cable – Intensidad máxima para cables al aire

Intensidades máximas admisibles (A) en servicio permanente y con corriente alterna. Cables unipolares aislados de hasta 18/30 kV instalados al aire.

Intensidades máximas admisibles (A) en servicio permanente y con corriente alterna. Cables unipolares aislados de hasta 18/30 kV instalados al aire.

Sección mm2

EPR XLPE HEPR

Cu Al Cu Al Cu Al

25 140 110 155 120 160 125

35 170 130 185 145 195 150

50 205 155 220 170 230 180

70 255 195 275 210 295 225

95 310 240 335 255 355 275

120 355 275 385 295 410 320

150 405 315 435 335 465 360

185 465 360 500 385 535 415

240 550 425 590 455 630 495

300 630 490 680 520 725 565

400 740 570 790 610 840 660



RD 223/2008ITC-LAT 08

RD 223/2008ITC-LAT 08

Se refiere a las prescripciones técnicas que deberán cumplir las líneas eléctricas aéreas de alta tensión con cables unipolares aislados reunidos en haz, entendiéndose como tales las de corriente alterna trifásica de 50 Hz, cuya tensión nominal sea superior a 1 kV, con una tensión nominal máxima de la red de 30 kV, según las características actuales de aislamiento de los referidos conductores.

En este apartado se considera de tensión de uso preferente la de 20 kV.

Como estos cables son idénticos a los descritos en la ITC-LAT 06, pues se trata de tres cables unipolares cableados alrededor de un fiador de acero, vale lo dicho anteriormente para los cables instalados al aire.

El sistema de instalación de las líneas eléctricas aéreas de la presente Instrucción será mediante red tensada sobre apoyo



RD 223/2008ITC-LAT 08

RD 223/2008ITC-LAT 08

Los cables descritos en la Instrucción ITC-LAT 08 los comercializó hace cerca de veinte años la firma PRYSMIAN (antes PIRELLI) bajo la denominación: EPRORRET HACES.

Estos cables destinados al transporte y distribución de energía eléctrica por medio de líneas eléctricas aisladas presentan una elevada resistencia a las descargas parciales. Como se ha dicho, están constituidos por tres cables unipolares, generalmente de aluminio, del tipo EPR, cableados sobre un núcleo central formado por una cuerda portante de acero de 50 mm2 se sección, con una carga de rotura de 6000 daN, protegida por una capa de elastómero.

Se elaboran en las tensiones nominales normalizadas hasta 18/30 kV y, evidentemente, se trata de cables apantallados.

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