DESCRIPCIÓN DE LINEAS DE TRANSMISION SUBTERRANEA

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

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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. UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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. UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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. UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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. UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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; UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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. UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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 = UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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. UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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). UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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. UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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). UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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. UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

fibras, Página 81

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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 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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. UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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) UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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) UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

.

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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 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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. UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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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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 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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. UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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: UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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. UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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. UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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: UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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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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. UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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) UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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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= 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. UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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. UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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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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. UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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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

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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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