sesion 5 - curso de formacion en cables de energia para media y alta tension

Junio 2010

Manuel Llorente

SISTEMAS DE CABLES DE ENERGÍA

PARA MEDIA Y ALTA TENSIÓN

5ª Sesión

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

en ESPAÑOL

http://www.leonardo-energy.org/espanol/?p=191 2

Índice

Diseño del sistema

Protección contra sobretensiones

Instalación y puesta en servicio

Experiencia, conclusiones, futuro


Diseño de un sistema típico

Longitudes de autoprotección

Diseño de la

instalación

Puesta a tierra

Principios generales

Diseño del sistema

Diseño termo-mecánico

Manejo sobre el terreno

Esfuerzos mec. y elec.

Sujeción




Diseño de la

instalación

Puesta a tierra

Diseño del sistemaDiseño termo-

mecánico



Principios

generales

Diseño del sistema es una expresión que se puede utilizar para describir el procedimiento de selección del tipo de cable, de los accesorios y de los métodos de instalación más apropiados para un proyecto específico.

Por lo tanto debería incluir tanto consideraciones técnicas como económicas de tal manera que el sistema propuesto pueda satisfacer las exigencias de fiabilidad y capacidad de carga del sistema a un coste mínimo.

Diseño del sistemaDiseño del sistema

Debe incluir no sólo la inversión inicial sino también la capitalización de las pérdidas generadas a lo largo de la vida útil prevista del cable.

Coste mínimo del ciclo de vida

Coste mínimo del ciclo de vida

No es posible en esta presentación hacer propuestas específicas de un tipo de diseño, por lo que las siguientes consideraciones se entenderán como una guía de los factores técnicos a considerar en el diseño

Sujeción





Diseño de un sistema

típico

5


Diseño de la

instalación

Puesta a tierra


mecánico

Aquí se incluyen como ejemplo algunos diseños típicos y se presenta la capacidad de carga permanente de los cables en dos condiciones de instalación distintas:

Cables al tresbolillo con las pantallas conectadas

entre si

Cables al tresbolillo con las pantallas conectadas

entre si

Cables en disposición plana con un espaciado

entre ejes de 300 mm y las pantallas conectadas de

manera especial(cross bonding)

Cables en disposición plana con un espaciado

entre ejes de 300 mm y las pantallas conectadas de

manera especial(cross bonding)

Sujeción





Diseño de un sistema

típico

6


Diseño de la

instalación

Puesta a tierra


mecánico

Capacidad de carga e intensidades de cortocircuito para un cable directamente enterrado a un metro de profundidad, en un terreno de resistividad térmica de 1,2 K•m/W y con una temperatura del terreno de 15 ºC.

Tensión nominal(en kV)

Sección (mm2)

Resistencia del conductor en c.a a

90ºC(en mΩ/km)

Reactancia en estrella

(en mΩ/km)

Carga servicio permanente

(en A)

Cortocircuito 1s en

conductor (en kA)

Cortocircuito 1s en pantalla

(en kA)

tresbol plana tresbol plana tresbol plana

66 1x800 32,68 30,99 110 212 920 1115 114,5 14,2

132 1x800 31,99 30,99 125 212 910 1085 114,5 21,6

275 1x1000 23,38 23,16 124 200 1015 1250 143,0 30,4

Sujeción


Sujeción





7

Diseño de la

instalación

Puesta a tierra


mecánicoLongitudes de autoprotecció

n

La impedancia característica de un cable frente a una onda de impulso es intrínsecamente mucho mayor que la de una línea aérea desnuda, de tal manera que cuando llega al terminal de un cable una onda incidente procedente de una línea aérea, se refleja en su mayor parte penetrando sólo una porción de la onda en el interior del cable. Sin embargo, es bien sabido que subsiguientes reflexiones en el interior del cable pueden llegar a generar tensiones que pueden alcanzar o incluso exceder el valor de cresta de la onda incidente.

Impedancia y tensiones

Impedancia y tensiones

La amplitud de la tensión en el cable depende de la forma de la onda incidente, de la relación de impedancias en los extremos y del tiempo de tránsito de la onda en el cable.

El tiempo de tránsito es función de la velocidad de propagación de la onda en el dieléctrico del cable y de la longitud de éste.

Longitudes de cable muy cortas dan como resultado tensiones muy elevadas en el cable.

La longitud del cable que limita la tensión en su seno al valor del BIL se denomina longitud de autoprotección.

Longitud de autoprotecciónLongitud de autoprotección






8

Puesta a tierra


mecánicoLongitudes de autoprotección

Diseño de la

instalación

Principios de diseñoPrincipios de diseño

1

Cables enterradosCables enterrados

2

Instalación al aireInstalación al aire

3

Instalaciones especiales


4

Sujeción






9

Puesta a tierra



Diseño de la

instalación


1


2


3



4

El diseño mecánico de la instalación de un cable es tan importante como el diseño eléctrico o el diseño térmico del sistema.

Para asegurar una satisfactoria vida útil del cable es esencial que se dé la importancia debida al medio ambiente que rodea el cable, al soporte que lo sustenta, a los efectos de la dilatación y de la contracción térmica y a los posibles movimientos del cable.

Los principios generales que se desarrollan aquí serán igualmente aplicables a cualquier tipo de cable.

Sujeción






10

Puesta a tierra



Diseño de la

instalación


1


2


3



4

Se supone que los cables directamente enterrados están rodeados de un material de relleno adecuado para mantener unas buenas condiciones térmicas e inmovilizarlos. Cuando el cable se calienta, el conductor sufre esfuerzos de alargamiento y compresión, que desarrollan una componente transversal que bandea su trayectoria y puede deformar permanentemente el material aislante y deteriorar el comportamiento eléctrico del cable.

Este fenómeno determina los limites superiores para las temperaturas de sobrecarga de los distintos materiales: 105ºC y un radio de curvatura superior a 30 Ø para el XLPE; 130ºC y 20 Ø y 100ºC y 30 Ø para el HDPE.

Otra solución típica para cables enterrados es en conductos. Los propios conductos pueden rellenarse con arena para obtener una inmovilización mecánica fuerte frente al riesgo de esfuerzos electrodinámicos fuertes en caso de c.c.

Sujeción






11

Puesta a tierra



Diseño de la

instalación


1


2


3



4

a) Cables instalados en configuración recta sujetos con abrazaderas espaciadas destinadas a evitar desplazamientos laterales. Desde un punto de vista termomecánico esto es lo mismo que un cable enterrado. Se deben tener en cuenta las importantes fuerzas electrodinámicos debidas a las cargas cíclicas, particularmente en las curvas de pequeño radio y en el extremo del cable.

b) Cables instalados de forma ondulada, lo que permite una total libertad de dilatación en los ciclos térmicos. Un prudente cálculo determinará los valores aceptables para la distancia entre las abrazaderas para evitar la deformación de las pantallas.

Los cables de media y alta tensión también pueden instalarse al aire en túneles, edificios de subestaciones eléctricas, industrias, etc. Esencialmente se consideran dos posibles diseños:

Sujeción






12

Puesta a tierra



Diseño de la

instalación


1


2


3



4

La configuración ondulada es la más común y conveniente. Para los cables aislados con XLPE y HDPE, los parámetros geométricos deben determinarse cuidadosamente con el fin de mantener el esfuerzo de fatiga dentro de unos límites aceptables para las cubiertas metálicas.

Para los cables de EPR no se prevé la utilización de cubiertas metálicas, por lo que los parámetros geométricos pueden escogerse libremente. La cubierta metálica también puede omitirse en los cables de XLPE y HDPE cuando están instalados en un ambiente seco.

Sujeción






13

Puesta a tierra



Diseño de la

instalación


1


2


3



4

Cuando se instalen verticalmente longitudes importantes de cables, las abrazaderas no sólo deben mantener el cable en la configuración correcta a lo largo de su trayectoria, sino también evitar cualquier deslizamiento como consecuencia de su propio peso.

Mástiles verticalesMástiles verticales

Para distancias relativamente cortas, el cable puede tenderse simplemente dentro de un tubo, cuyo diámetro sea del orden de 1,5 veces el diámetro del propio cable. Para tendidos en conductos largos, en los que no son prácticos los rellenos, se pueden prever arquetas especiales, que permitan desplazamientos laterales del cable para aliviar esfuerzos y tensiones.

ConductosConductos

Sujeción






14

Puesta a tierra



Diseño de la

instalación

Diseño de las abrazaderas

Diseño de las abrazaderas

En la mayoría de los casos podrán utilizarse abrazaderas comunes sin especiales características. Sólo en el caso de cables con recorridos verticales será necesario utilizar abrazaderas especiales de presión para evitar deslizamientos.

Sujeción

Cab

le t

rip

ola

r






15

Puesta a tierra



Diseño de la

instalaciónSujeción

Dis

eño

de

las

abra

zad

eras

Dis

eño

de

las

abra

zad

eras

3 ca

ble

s u

nip

ola

res






16



Diseño de la

instalación

Conexión de baja resistencia a tierra


Puesta a tierra

Limita el valor de la tensión de las pantallas con respecto a tierra, mejorando el nivel de seguridad para el personal, puesto que los umbrales de tensión se mantienen bajos.

Reduce las tensión de las pantallas en los puntos donde se efectúa la transposición de fases y en la apertura de los terminales durante los cortocircuitos y las sobretensiones, facilitando la optimización técnica y económica de los supresores de impulsos en el conductor y pantalla.

Sujeción






17



Diseño de la

instalaciónE

squ

ema

cro

ss-b

on

din

gE

squ

ema

cro

ss-b

on

din

gPuesta a tierraSujeció

n






18



Diseño de la

instalación



Puesta a tierraSujeció

n

Cuando un impulso incide en el conductor se crea una onda de tensión errante en el sistema. La magnitud de la tensión viene determinada por la resistencia al impulso (25 a 60 ohm para los cables y 250 a 300 ohm para las líneas aéreas desnudas) en el cable y en los equipos de conexión y líneas.

Esta onda vagabunda se deriva a tierra por medio de pararrayos autoválvulas de tal manera que la tensión desarrollada no pueda provocar fallos en la cubierta exterior, separaciones de pantalla o en el aislamiento principal.






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Diseño del sistemaLongitudes de autoprotección

Diseño de la

instalación

Seguimiento al detalle de las instrucciones de instalación del fabricante

Seguimiento al detalle de las instrucciones de instalación del fabricante

Puesta a tierra

La superficie de contacto entre el aislamiento del cable y los accesorios debe estar absolutamente limpio y sin rugosidades.

La zona donde se confeccione el empalme o el terminal debe estar todo lo limpia que sea posible. Debe cuidarse el correcto posicionamiento de los conos deflectores.

En los cables con cubierta metálica debe procurarse una puesta a tierra adecuada. Para la puesta tierra en ambos extremos (BB) sólo se aceptará la soldadura, para la puesta tierra en un solo extremo (SP) pueden utilizarse otras técnicas.

En los sistemas de conexión especial (CB o SP) la cubierta debe estar en perfecto estado.

Diseño termo-

mecánicoSujeción






20


Diseño de la

instalación

Esfuerzos mecánicos y electrodinámicos Esfuerzos mecánicos y electrodinámicos

Puesta a tierra


Fuerzas de dilatación longitudinalFuerzas de dilatación longitudinal

Durante el servicio normal el cable se dilata longitudinalmente. Con el fin de no estrangular el cable, los empalmes y terminales deben permitir una cierta movilidad. El alargamiento axial para los cables de cobre es de 0,0017%/ºK y para los cables de aluminio de 0,0023%/ºK.

Por ejemplo, un cable de Cu de 800 m de longitud puede alargarse entorno a un metro para un salto de temperatura de 70ºK.

Fuerzas transversales en ccFuerzas transversales en cc

Fuerzas de dilatación radialFuerzas de dilatación radial

Con el aumento de temperatura, los aislamientos se dilatan en dirección radial. Las abrazaderas deben ser diseñadas para limitar las dilataciones longitudinales y transversales.

I2 I [en kA] es el valor de pico de la corriente asimé- F = 0,2 · (en N/m) donde: trica máxima. I = 2,5·ICC. d d [en m] es la distancia entre dos conductores

I = 2,5·ICC

Sujeción





21


Diseño de la

instalación

Puesta a tierra


Sujeción


Temperatura de tendido


1

Radios de curvaturaRadios de curvatura

2

Presión lateral de una pared


3

Tracción máxima durante el tendido


4

CaperuzasCaperuzas

5

Diámetro mínimo de conducto


6





22


Diseño de la

instalación

Puesta a tierra


Sujeción




1 Durante la instalación, el cable no debe

estar a temperaturas inferiores a 0ºC. en el caso de que la temperatura ambiente sea menor de este valor, antes de la instalación, las bobinas de cable deberán haber permanecido en recintos caldeados un tiempo suficiente para que su temperatura sea superior a la citada.





23


Diseño de la

instalación

Puesta a tierra


Sujeción


Cables unipolares aislados con polímeros

Durante el tendido, con un esfuerzo de tracción aplicado sobre el cable, el radio de curvatura de éste debe ser superior a 15 veces el diámetro exterior del cable. Cuando el cable ya está instalado, esto es, ya no hay ninguna fuerza aplicada al cable, el radio de curvatura debe ser superior a 10 diámetros.

Radios de curvaturaRadios de curvatura

2

Cables tripolares aislados con polímeros Durante el tendido, el radio de curvatura

debe ser superior a 12 diámetros. Cuando el cable ya está tendido, el radio de curvatura debe ser superior a 8 diámetros.





24


Diseño de la

instalación

Puesta a tierra


Sujeción


Puede ser causa suficiente para dañar un cable si, durante el tendido, no se controla adecuadamente.

Durante el arrastre del cable por la zanja, los rodillos sobre los que se desplaza el cable, deberán estar separados de las paredes una distancia tal que impida que el rozamiento contra las mismas supere cierto límite.

Durante el tendido con curvas, también deberá vigilarse dicha presión.



3





25


Diseño de la

instalación

Puesta a tierra


Sujeción


El esfuerzo de tracción debe aplicarse sobre las cuerdas conductoras; no sobre la cubierta del cable, pues se podrían producir deslizamientos relativos entre el aislamiento y las restantes capas que pudieran provocar descargas parciales cuando el cable se pusiera en tensión.

Durante el tendido no se deben superar los siguiente esfuerzos de tracción: 70 N/mm2, para conductores de cobre y 40 N/mm2, para conductores de aluminio.

Con el fin de reducir el rozamiento en las instalaciones en tubo o conducto se pueden usar lubricantes adecuados.



4





26


Diseño de la

instalación

Puesta a tierra


Sujeción


Objetivo : evitar la penetración de agua en el cable. Ya se ha advertido de los daños que el agua puede provocar en los cables aislados con XLPE.

CaperuzasCaperuzas

5



6 El diámetro interior mínimo de un conducto

debe ser 1,25•D para un tendido recto y 1,5•D para un tendido con curvas. En el caso de que por un mismo tubo vayan los tres cables unipolares de un circuito, el diámetro interior del tubo debe ser tres veces el diámetro exterior de uno cables unipolares contenidos. El espacio libre entre la parte superior del cable y el tubo debe de ser, por lo menos, la mitad del diámetro de un cable de fase.





27


Diseño de la

instalación

Puesta a tierra


SujeciónManejo sobre

el terreno

Instalación directamente

enterrada

Instalación directamente

enterrada

1 El terreno actúa por si mismo como un grapado

longitudinal. Si se dejan cámaras de registro, el cable debe asegurarse sobre la pared interna debido a los esfuerzos que pueden presentarse durante un cortocircuito. La parte de un cable próxima a un terminal se instala normalmente al aire y por lo tanto debe fijarse al soporte del terminal o a otro punto fijo próximo. Debido a la expansión volumétrica de XLPE, deberá utilizarse una ligadura elástica para la fijación del cable en la cámara o en la parte del cable próxima al terminal.





28


Diseño de la

instalación

Puesta a tierra



el terreno

Instalación en conductos o tubos

Instalación en conductos o tubos

2 En este modo de instalación los cables conservan cierta libertad de movimientos. Sin embargo, como esto no deja suficiente margen de serpenteo en el interior del conducto, pueden presentarse importantes esfuerzos longitudinales. El sistema de cables debe diseñarse de tal manera que se evite que dichas fuerzas puedan dañar los conectores de los empalmes, las pantallas, cubiertas, etc.

Generalmente esto puede lograse haciendo entrar los conductos en una cámara por el centro de las paredes frontales y llevando los cables hacia una pared lateral con lo que estos adoptarán la forma de dos curvaturas inversas que absorban las dilataciones longitudinales.





29


Diseño de la

instalación

Puesta a tierra



el terreno

Instalación vertical en postes

Instalación vertical en postes

3 El cable, adecuado para esta forma de instalación, se grapará a intervalos regulares de tal manera que pueda controlarse el peso y el esfuerzo longitudinal. El cable conservará cierta curvatura entre las grapas que no deben distar entre si más de tres metros.


Índice

Diseño del sistema





Cubiertas

31


Rayo

Cuando un cable se introduce en una red constituido por una línea aérea desnuda, deberá protegerse contra las sobretensiones originadas por descargas atmosféricas en la propia línea. Normalmente la primera protección contra estas sobretensiones está constituida por pararrayos montados en paralelo con los terminales del cable en sus dos extremos.

Si el cable es muy corto, menos de 50 metros, los pararrayos podrán colocarse en uno sólo de los extremos del cable.

Si el cable es suficientemente largo (uno o dos km) los pararrayos pueden colocarse en un extremo si se comprueba que las sobretensiones no pueden penetrar por el otro. Un caso típico podría ser el de un cable terminando en una subestación con el pararrayos instalado solamente en el extremo del cable que se une a la línea aérea.

Siempre que sea posible, se sugiere utilizar pararrayos en los dos extremos del cable, excepto para cables muy cortos


Cubiertas

32

Protección contra sobretensionesRayo

Cubiertas de protección contra las sobretensiones en las pantallas

Cubiertas de protección contra las sobretensiones en las pantallas

El objetivo de los limitadores de tensión de las pantallas (SVL – Sheath voltaje limiter) es proteger la cubierta exterior (en los sistemas SP y CB), la separación de pantallas

(en los sistemas CB) y las cajas de empalme de los arcos eléctricos internos.

La selección se efectuará de acuerdo con el procedimiento siguiente: Se calculará la máxima tensión de la pantalla (Uk-rms) durante el cortocircuito. Se comprobará que la cubierta exterior resiste esta tensión, multiplicando su

espesor por la resistividad de diseño a c.a., que será de 5 kV/mm o un máximo de 15 kV.

Se escogerá el pararrayos, que tenga un valor a U10-S, mayor que Uk-rms. Se calculará el nivel BIL de la cubierta multiplicando su espesor nominal por la

máxima resistencia a impulso, esto es, 15 kV/mm o un máximo de 75 kV. Se verificará que la tensión residual U`P (10 kA) en la hoja de datos del

limitador de tensión es menor que el valor 0,75•BIL de la cubierta.


Cubiertas

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Colocación de los limitadores de tensión de las pantallas (SVL)

Colocación de los limitadores de tensión de las pantallas (SVL)

En general, la longitud de los conductores de enlace entre pantallas y SVL deberá ser tan corta como sea posible. Si es posible <3 m y en todo caso menor de 10 m.

Sistema BBSistema BB Sistema SPSistema SP Sistema CBSistema CB


Cubiertas

34


Sistema BBSistema BB Sistema SPSistema SP Sistema CBSistema CB

Como regla principal, la pantalla del cable en el terminal de sellado GIS deberá estar puesta a tierra y los terminales de intemperie equipados con SVL. La separación de pantallas en el terminal de sellado GIS estará cortocircuitada por medio de trenzas de cobre, como se ha indicado antes.

De cara a los terminales, se aplicarán las mismas condiciones que para el sistema SP. Las cajas de enlace de trasposición de pantallas se colocarán tan próximas cono sea posible de la separación de pantallas en las arquetas, cámara de empalmes, etc. Normalmente se utilizan cajas especiales para la realización del “cross-bonding”

No se necesita el SVL. Sin embargo, el terminal de sellado GIS y la separación de pantallas deben estar cortocircuitadas por medio de 4 trenzas de cobre como mínimo, que deberán estar situadas simétricamente alrededor de los bordes. La razón de esto es que los transitorios rápidos de apertura o cierre de los interruptores sin el GIS pueden provocar arcos a lo largo de los bordes si no se toman medidas de precaución


Cubiertas

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Sistema CBSistema CB


Índice

Diseño del sistema






Ensayos después del tendidoEnsayos después del tendido

Si no se ha establecido otra cosa por contrato, o exigido por el cliente, se deberán seguir las siguientes pautas de actuación

1 – Verificar las cubiertas metálicas exteriores aplicando 10 kV en c.c., durante un minuto, independientemente del método de enlace utilizado después del tendido del cable. Este ensayo será de aplicación general para todos los sistemas de 52 kV o superiores.

2 – Después de efectuar los empalmes, se repetirán estos ensayos con el fin de verificar el estado de las cubiertas protectoras de los empalmes, etc. Se revisarán y desconectarán todas las puestas a tierra y trasposiciones antes de realizar los ensayos.

3 – Como regla general, se deberá realizar un ensayo del aislamiento de 24 horas para todos los sistemas de 52 kV en adelante. Si este ensayo no es posible, se realizará un ensayo de aislamiento a 3•U0 durante 15 minutos.


Índice

Diseño del sistema






La cantidad de cables extruidos de tensión superior a 45 kV, que actualmente están prestando servicio en todo el mundo, supera ampliamente los 100.000 km y es incalculable la cantidad existente de cables de media tensión.

Actualmente, los cables aislados con XLPE y HEPR, para niveles de tensión de hasta 220 kV son de uso general. A tensiones superiores se están imponiendo con fuerza los cables aislados con XLPE sustituyendo a los aislados con HDPE.

Aún cuando no existe una información detallada sobre su comportamiento, se puede asegurar que, proporcionalmente, el número de interrupciones del servicio imputables directamente a los cables es muy reducido. En general las averías en los cables vienen provocadas desde el exterior de los mismos.

sesion 5 - curso de formacion en cables de energia para media y alta tension

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