INTRODUCCION Cables Subterraneos

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CABLES ELECTRICOS SUBTERRANEOS 1. PRESENTACION Existen muchos tipos de cables eléctricos con los cuales estamos utilizando o estamos en contacto, que muchas veces no tomamos importancia de cuál es el objetivo de la forma, el color, espesor, etc. y la aplicación de cada uno de estos. A continuación veremos algunos tipos de cables y sus especificaciones, especialmente subterráneos, que se Han utilizado para hacer pruebas en el laboratorio según las normas establecidas

2. CONSTITUCIÓN DE CABLES SUBTERRANEOS Cada cable puede estar provisto de uno, dos, tres o cuatro conductores. Anteriormente se empleaban en las Líneas monofásicas y trifásicas conductores concéntricos, pero por las dificultades de fabricación y aislamiento cayeron en desuso, fabricándose exclusivamente en la actualidad con conductores tranzados o arrollados en hélice.

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-AISLANTE Es un material que se resiste al flujo de carga, algunos ejemplos de aislante son la ebonita, el plástico la mica, la baquelita, el azufre y el aire.Los cables aislados consisten esencialmente en uno o mas conductores mediante materiales enrollados o extruidos sobre los conductores; ademas, dependiendo del tipo de cable y de la tensión para la que este diseñado -PAPEL IMPREGNADO El papel impregnado fue uno de los primeros materiales utilizados para el aislamiento de los cables para la transmisión de energía eléctrica y continua siendo el mejor aislamiento para cables de alta tensión. Sus principales características son las siguientes 1) Alta rigidez dieléctrica 2) Bajas pérdidas dieléctricas 3) Resistencia elevada a las descargas parciales (ionización) 4) Posee buenas características térmicas Su gran desventaja consiste en que es muy higroscópico y que la absorción de la humedad deteriora considerablemente sus cualidades dieléctricas, por esta razón el aislamiento de papel debe secarse perfectamente durante el proceso de fabricación delcable y protegerse con un forro hermético. Se han realizado cables con aislamiento para tensiones hasta de 50 Kv (voltaje entre fases) y están en proceso de investigación cable para 750 Kv -CAMBRAY BARNIZADO Es una cinta de algodón barnizado con varias capas de barniz aislantes. Entre cada Capa de aislamiento hay una sustancia lubricante de alta viscosidad. Constituye un aislamiento mas flexible, aunque de menor calidad, que el papel impregnado y se aplicado en casos de cables colocados verticalmente o con pendientes pronunciadas, ya que no representa el inconveniente de los cables del papel impregnado,en los que el aceite puede escurrirse por gravedad. -TERMOPLÁSTICOS Son materiales orgánicos sintéticos obtenidos por polimerización. Se vuelve plástico alaumentar la temperatura lo que permite aplicarlos por extrusión en caliente sobrelos conductores, solidificándose después al hacer pasar el cable por un baño de agua fría. Los termoplásticos mas utilizados como aislamientos de cables eléctricos son el cloruro de polivinil (PVC) y el polietileno. El PVC mezclado con otra sustancia se utiliza extensamente como aislante sobre todo en cables de baja tensión, debido a su bajo costo, a su mayor resistencia a la Ionización comparada con otros aislamientos orgánicos sintéticos y a poder obtenerse con mezclas adecuadas, temperaturas de operación que van desde 60º C a 150º C. Tiene el inconveniente de tener una constante dieléctrica elevada y en Gotea Loayza Cesar –Geancarlo Videla Zarate

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consecuencia pérdidas eléctricas altas, lo que limita su empleo en tensiones más elevadas. Sin embargo en Alemania e Italia se han desarrollado compuestos de PVC que, a la temperatura de operación del cable, tiene pérdidas dieléctricas relativamente bajas

-CUBIERTA SEMICONDUCTORA Y PANTALLA La cubierta semiconductora que se coloca inmediatamente sobre el conductor, tiene por objeto uniformar el gradiente eléctrico en la superficie del conductor, eliminando las distorsiones del campo eléctrico debidas a las protuberancias constituidas por los hilos de la capa exterior. ( el uso de materiales semiconductores se debe a que en esta forma se reduce la intensidad de las cargas eléctricas que pueden producir ionización, con respecto a la que se tendrá si se utilizasen cubiertas Metálicas). La cubierta semiconductora puede estar constituida por una cinta de papel de papel saturado en carbón coloidal, enrollada directamente sobre el conductor. Esta disposición se usa, por ejemplo, en los cables aislados con papel impregnado. En cables con aislamientos extruidos de construcción moderna, la cubierta semiconductorase aplica por extrusión usando un material semiconductor adecuado. La pantalla esta constituida por una capa conductora colocada sobre el aislamiento y conectada a tierra, que tiene por objeto principal crear una superficie equipotencial para obtener un campo eléctrico radial en el dieléctrico. (La pantalla sirve también para blindar el cable contra potenciales inducidos por campos eléctricos externos y como protección para el personal, mediante su conexión efectiva en tierra  Puede realizarse mediante una cinta de papel metalizado o una cinta de un metal no magnético (cobre o aluminio) de un espesor del orden de los .8 mm, enrollada sobre el aislamiento. En cables con aislamiento extruido se usan pantallas semiconductoras aplicadas por extrusión, colocadas entre la pantalla y el aislamiento, incluso con materiales aislantes como el polietileno que tiene un alto

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coeficiente de expansión térmica; en estos casos la pantalla metálica suele estar constituida por hilos de cobre o aluminio enrollados sobre la pantalla semiconductora. En los cables para alta tensión en los que los gradientes eléctricos aplicados al aislamiento son bajos, no se requiere un control de la distribución del campo eléctrico y por lo tanto puede prescindirse de la pantalla metálica; sin embargo ésta se usa en ocasiones e cables de baja tensión, para evitar la inducción de potenciales en los conductores, debidos a los campos eléctricos externos.

Formas de conductores eléctricos subterráneos

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Los cables con aislamiento sólido son normalmente construidos con polietileno reticulado (“cross-linked polythethylene” XLPE), o de Etileno-propileno corrugado (“ethylene-propylene rubber” EPR). El diseño del cable de la Figura 8, es de un conductor de cobre extruido. Una pantalla de cinta de cobre envuelve este cable y usualmente se coloca encima del apantallamiento, luego se coloca una chaqueta de polietileno (“polyethylene” PE) o de cloruro de polivinilo (“polyvinyl chloride” PVC). Para alta tensión, en voltajes superiores a 69 kV, siempre es necesaria una pantalla de aluminio o de aleación de plomo. El propósito de esta pantalla es proteger el aislamiento del ingreso de humedad, esto mejora la confiabilidad y Alarga la vida útil del cable

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3. CONTRIBUCIONES DE CABLE SUBTERRANEO CLASIFICACIÓN DE CABLES A continuación se realizara una clasificación de cables en cuanto a su constitución, aplicación y respuesta ante agentes externos: Según: MATERIAL AISLANTE:  Papel aceite  Goma butílica  P. V. C. Policloruro de vinilo  PE Polietileno termoplástico  XLPE Polietileno reticulado  Etileno-propileno  EPR Goma etilpropilénica  Caucho silicona MATERIAL CONDUCTOR:  Cobre  Aluminio  Aleación de aluminio  Aluminio- Acero FORMA DE INSTALACION:  Subterráneo  Aéreo {desnudo, protegido, aislado} Gotea Loayza Cesar –Geancarlo Videla Zarate

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

Subacuático

CONFORMACION:  Unipolar  Bipolar  Tripolar  Tetrapolar  Multipolar  Plano  Neutro concéntrico CUERDA:  Circular {normal, compacta}  Sectorial  Anular  Partida DIRECCION DEL CAMPO ELECTRICO:  Radial  No radial APLICACIONES:  Transporte de energía  Distribución  Instalaciones fijas  Instalaciones móviles  Para alta temperatura  Para ascensores  Para otras aplicaciones especiales REPUESTA AL FUEGO:  No propagante de llama  No generador de gases tóxicos  No generador de gases corrosivos  Mantenimiento del servicio aún quemado REPUESTA AGENTES QUIMICOS:  Resistentes a hidrocarburos  Resistente a ácidos  Etc. PROTECCION MECANICA:

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 

Con armadura Sin armadura

INGRESO DE AGUA:  Diseño húmedo  Diseño seco {longitudinal, transversal} TENSION:  Baja tensión  Media tensión  Alta tensión CATEGORIA:  Categoría I  Categoría II CATEGORÍA I: Comprenderá las redes en que, en el caso de falla de una fase contra tierra, el cable es retirado de servicio en un tiempo no mayor de 1 h. Cuando se utilicen cables con conductores aislados, individualmente apantallado, podrán ser toleradas duraciones más prolongadas, pero en ningún caso dichos períodos serán mayores de 8h. Se preverá que estas situaciones anormales no se presenten frecuentemente. CATEGORÍA II: Comprenderá todas las redes que no están incluidas en la categoría I. En una red no rígidamente puesta a tierra, ante una falla de una fase contra tierra, si no es rápidamente eliminada la anomalía, el incremento del gradiente de potencial al que queda sometida la aislación de las otras fases, reduce su vida útil. Cómo dimensionar un Conductor Para dimensionar un conductor debemos tener en consideración lo siguiente:  La capacidad de corriente debe ser por lo menos igual a la exigida por el circuito o la carga en condiciones extremas.  La caída de tensión en los extremos de la carga. (Según el Código Nacional de Electricidad varía entre el 3% y 5% en función de la carga o sobrecargas en condiciones de emergencia). Se recomienda que el valor sea cercano a 3%.  La capacidad de cortocircuito, es decir, cuánta sobrecarga puede soportar el circuito, lo que dependerá directamente de cómo se haya diseñado la conexión.  El cálculo de la energía de pérdidas, por la menor resistencia del conductor.  El análisis técnico - económico de la selección del conductor.

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Designacion De Cables  N conductor de cobre  NA conductor de aluminio  G Aislamiento y Cubierta de goma  Y Aislamiento o cubierta de PVC  2Y Cubierta de polietileno Termoplástico (PE)  2X Aislamiento de Polietileno Reticulado (XLPE)  S Pantalla de cobre de un cable unipolar o común de un cable multipolar  SA Pantalla de aluminio de un cable unipolar o común de un cable multipolar  SE Pantalla de cobre sobre cada conductor en un cable multipolar  SEA Pantalla de aluminio sobre cada conductor en un cable multipolar  C Conductor concéntrico de cobre  CE Conductor concéntrico de cobre sobre cada conductor en un cable multipolar.  B Armadura de fletes de acero  R Armadura de alambres de acero  RA Armadura de alambres de aluminio o aleación de aluminio  K Cubierta de plomo Tensiones nominal del cable U0/U ( Um)  0.6/1(1.2)KV y 1.8/3(3.6)KV (baja tensión) y 8.7/15KV (media tensión)  Es la tensión a la frecuencia nominal para la cual el cable ha sido construido y a la que debe poder funcionar continuamente en condiciones normales de servicio.  U0: es la tensión nominal entre cada uno de los conductores y tierra.  U: es la tensión nominal entre los conductores (fases).

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4. REPORTES DE INCIDENTES: En Palma y Madero ocurrieron las explosiones, algunas llamas alcanzaron un negocio, se cree que el origen de los hechos fue un corto circuito en el cableado subterráneo a causa de la humedad que dejaron las lluvias, además de las malas condiciones de las instalaciones; dos trabajadores resultaron lesionados

AGUA DENTRO DE UN REGISTRO ELECTRICO registro sin ningún tipo de mantenimiento dentro de las corriendo graves peligros la gente que labora dentro de las instalaciones

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instalaciones.

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En diferentes puntos del Centro Histórico se reportaron cortos circuitos en registros eléctricos subterráneos, provocando fuego en esas instalaciones; no hay lesionados CIUDAD DE MÉXICO, México, jun. 23, 2011.- Una serie de cortos circuitos en registros eléctricos subterráneos del Centro Histórico de la ciudad de México provocó que de esas instalaciones emanara fuego, sin que se reporten personas lesionadas como consecuencia de la conflagración. ¿Qué hubiese pasado si la instalación hubiese sido aerea?

CONTEMPLA CFE CAMBIAR LAS INSTALACIONES AÉREAS POR SUBTERRÁNEAS 17 febrero, 2011, 13:42 - Local Por Eduardo Carvallo/Bocadelrio.com Veracruz, Ver. Durante el paso del huracán Karl las líneas que suministran energía eléctrica a los municipios de Veracruz, Boca del Río y Medellín resultaron afectadas, por ello la Comisión Federal de Electricidad contempla modificar las instalaciones de aéreas a subterráneas. El proyecto se trabaja de manera coordinada con el Colegio de Ingenieros Mecánicos y Eléctricos. La presidenta de este organismo Guadalupe Domínguez Alegría, reconoció que estas modificaciones implicarán recursos considerables por lo que están en pláticas con los alcaldes de los tres ayuntamientos.

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5. CABLES SUBTERRÁNEOS EN LA ACTUALIDAD Cables para instalaciones tipo subterráneas Utilización: Subterráneos, directamente enterrado, en bandejas o a la intemperie; en redes industriales o de distribución hasta 1,1kv.

Construcción: Conductores de Cu clases 1; 2; 4 ó 5 y de AL clases 1 ó 2. Aislaciones de PVC retardantes de la llama o XLPE. Envoltura exterior de PVC retardantes de la llama. Armadura de acero opcional. Temperatura máxima de operación: PVC 70ºC - XLPE 90ºC Normas de fabricación y ensayo : IRAM 2178 - IEC 60502-1

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a = Conductores de Cu recocido, clases 1;2; 4 ó 5 y de Aluminio puro, clases 1 ó 2. b = Aislaciones de PVC retardante de la llama, o XLPE. c = Envoltura exterior de PVC retardante de la llama o de XLPE: d = Relleno de PVC retardante de la llama. e = Armadura de flejes o alambres de acero, opcional. f = Armadura no magnética para cables unipolares, por ej.: alambres de Cu recocido; flejes de Cu o Al. , trenza de alambres de Cu.

CABLES INSTALADOS EN TIERRA La capacidad de carga de cables instalados en tierra (I máx) se obtiene de afectar la corriente admisible nominal correspondiente al cable (I Tierra) por los coeficientes de corrección por resistividad térmica y temperatura del suelo (F3), por acumulación de cables (F4) y por tipo de instalación (F5). Gotea Loayza Cesar –Geancarlo Videla Zarate

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Corriente máxima admisible: I max = I TIERRA x F3 x F4 x F5

ACTUALMENTE Los cables subterráneos en la actualidad se fabrican con aislación de PVC o de polietileno reticulado, pero como ya se mencionó anteriormente, existe una tendencia al uso de XLPE por la mayor resistencia a las altas temperaturas. Generalmente los cables subterráneos son de cobre o aluminio con aislación de XLPE y vaina de PVC.

Los cálculos de capacidad de corriente o ampacidad de un conductor La principal característica de los conductores es que no son conductores perfectos, es por eso que la resistencia intrínseca de un conductor produce pérdidas de energía por efecto Joule, proporcionales al cuadrado de la corriente que éste conductor transporta. Las pérdidas eléctricas por efecto Joule no son las únicas que están presentes en el conductor, además hay pérdidas en la pantalla y en la armadura metálica de los cables por eventual presencia de corrientes circulantes, denominadas corrientes de Eddy. Al existir un voltaje alterno en el aislamiento se aumentan las pérdidas en el dieléctrico. Todas estas pérdidas eléctricas contribuyen a que se reduzca la ampacidad de un conductor Para poder realizar el cálculo de la ampacidad de un conductor es necesario resolver ecuaciones de transferencia de calor que están íntimamente relacionadas con la corriente que transporta el conductor, la temperatura propia del cable, y de las características de sus alrededores. Es importante entender cómo el calor generado por el cable se disipa al medio ambiente.

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6. VENTAJAS CABLES ELECTRICOS SUBTERRANEOS La expansión de la construcción hace que muchos delos sistemas de distribución cambien de ser aéreos a subterráneos [5], debido a la menor disponibilidad de espacios aéreos. Construir una red de distribución de cables subterráneos es más costoso que instalar y mantener líneas de distribución aéreas, lo que hace conveniente evaluarla eficiencia técnica y económica a instalar. Los principales aspectos que aumentan el costo de las redes de distribución subterráneas están los materiales, el equipo, la labor u obra civil y el tiempo necesario para manufacturar el cable, excavar y rellenar la zanja y por último instalar el cable. La mayoría de las redes de distribución subterráneas son construidas en áreas de la ciudad congestionadas o muy pobladas. Al existir un mayor sobrecosto económico en este tipo de instalaciones, es necesario tener especial cuidado al seleccionar el tipo y el calibre del cable apropiado para que éste pueda suplir la carga por la vida útil de la instalación. Además de las ventajas estéticas que representan los sistemas de distribución subterráneos, estos tienen otras ventajas con respecto de los sistemas tradicionales de redes de distribución aéreas, entre éstas están:  Mayor expectativa de vida Los sistemas de distribución subterráneos tienen mayor vida útil que las líneas de distribución áreas; ya que los efectos medioambientales a que están expuestos los componentes subterráneos son mínimos, o no están presentes, sin embargo se debe tener especial cuidado con las inundaciones a las que pueden estar expuestas en los lugares de alto nivel freático y al ataque de roedores  Mantenimiento reducido Los componentes de la red de distribución subterránea no están expuestos al medio ambiente exterior, por lo que requieren de menor mantenimiento.  Servicio interrumpido por tormentas Los sistemas subterráneos de distribución no están expuestos de las tormentas, nieve, rayos y de vientos extremos.  Conservan el precio o el valor de la tierra Los predios o la tierra son un recurso valioso, particularmente en las zonas Urbanas. Los sistemas de distribución subterráneos permiten la construcción de edificios y otras estructuras sobre y alrededor de estos. Además, salvaguardan el esteticismo de las zonas urbanas. Otro punto a favor que tienen las redes de distribución subterráneas es que gracias al aislamiento eléctrico del cable se pueden agrupar o acercar reduciendo y aprovechando mejor el espacio.  Reducen riesgos en atención a incendios Al haber un incendio la seguridad o integridad de los bomberos no se afecta por los transformadores y cables aéreos cuando atienden una emergencia.  Previenen accidentes Se eliminan los peligros existentes por acercamiento a los cables de media o alta tensión, ya sea un transeúnte o un vehículo, en el momento que un cable energizado se desprenda o se caiga.

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Izquierda, foto de Street hill, en Toronto Canadá, agosto de 1947; y derecha en la Misma ubicación, abril 1999 [4].

7. NORMAS Si bien hoy en día, la detección de fallas en cables subterráneos es un tema ya superado en cuanto al logro de sus objetivos; que no requiere de mayores esfuerzos mediante el uso de instrumentos y procedimientos adecuados; por el contrario, más allá de necesidad de detectar fallas, en la actualidad, la tendencia mundial está basada en la anticipación temprana de un siniestro eléctrico, mediante la aplicación de técnicas de diagnóstico, cimentadas entre otras, en la medición de Descargas Parciales, yen los ensayos de Tensión Resistida a muy baja frecuencia (VLF – Very Low Frequency), además del estudio analítico de muestras, pre y pos siniestros, por medio de la aplicación de Rayos x y Microscopía Digital 3D, brindan la suficiente información para anticiparnos a un posible colapso. Más del 90% de los puntos débiles en la aislación de cables de MT/AT, generan descargas parciales antes de convertirse en una falla. Normas consultadas:  NTP 370.255-1  NTP 370.250

8. PRUEBAS DE LABORATORIO CONDICIONES PREVIAS:  CONDICIONES DE ENSAYOS ◦ TEMPERATURA DE AMBIENTE: A menos que se especifique de otra manera, los ensayos deberán ser hechos a una temperatura de (20±15)°C. ◦ HUMEDAD RELATIVA ◦ PRESIÓN ATMOSFÉRICA ◦ FRECUENCIA

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◦ CABLE USADO El cable usado es el N2XOH (Conductores de cobre electrolítico recocido, cableado (comprimido o compactado), aislamiento de polietileno reticulado (XLPE), cubierta externa hecha a base de un compuesto Libre de Halógenos HFFR. N2XOH 0,6/1,0 kV 25mm2

CONDICIONES AMBIENTALES  TEMPERATURA: 19,6°C  HUMEDAD RELATIVA: 67,2

PRUEBAS:  PRUEBA DE RESISTENCIA DE AISLAMIENTO  PRUEBA DE TENSIÓN APLICADA O RIGIDEZ DIELÉCTRICA PRUEBA DE RESISTENCIA DE AISLAMIENTO

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 La tensión de ensayo en corriente continua será de 80V a 500V y se aplicará por un tiempo suficiente para obtener una medición razonablemente estable, pero no menos de 1 minuto ni más de 5 minutos.  La medición deberá hacerse entre cada conductor y agua.  REQUISITO: los valores calculados a partir de las mediciones no deberán ser menores que aquellos especificados en la norma NTP 370.255-1.  Con la ayuda de un megóhmetro 0-5kV AVO MEGGER, con diferentes rangos de escala, se aplicara una tensión continua de 2500V, durante un tiempo suficiente( 1 a 2 minutos), para que se obtenga una lectura estable. La medición de la resistencia de aislamiento se efectuara entre el conductor y pantalla o tierra. Esta prueba se realiza mediante un equipo que aplica una tensión DC entre el conductor y el apantallamiento metálico. Mediante la relación entre la tensión y la corriente de fuga el equipo determina el valor de la resistencia de aislamiento, el cual debe ser superior al valor requerido por la norma.

RESULTADOS A 500 V c.c RESISTENCIA MEDIDA

LONGITUD

DIÁMETRO DEL AISLANTE

DIÁMETRO DEBAJO DEL AISLANTE

RESISTIVIDAD VOLUMÉTRICA

36000MΩ

675cm

8,73cm

5,83cm

37815,98MΩ

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PRUEBA DE TENSIÓN APLICADA O RIGIDEZ DIELECTRICA  El ensayo de tensión se realizará a temperatura ambiente usando una tensión alterna a frecuencia industrial o una tensión continua, a opción del fabricante.  La tensión de ensayo será de dos veces mas 1kV el valor de la tensión U.  REQUISITO: no deberá ocurrir la perforación del aislamiento.  PROCEDIMIENTO  Se dispuso de un equipo de generador de tensión.  Se conectó la salida del equipo a una de las fases y la otra salida mediante una conexión de puesta a tierra Una vez alcanzado el nivel de tensión de prueba se mantendrá esta durante 1 minuto, observándose el nivel de tensión y la intensidad de fuga.

RESULTADOS V= 3KV Tiempo: 1:00 min Tiempo mínimo requerido es de 1min pero se puede realizar de hasta 5 min Criterio de aceptación: Se considera el ensayo superado si no se produce ninguna perforación. Resultado:  NO SE PRODUJO NINGUNA PERFORACION  Corriente de fuga = 5,05 mA

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9. BIBLIOGRAFIA NTP 370.255-1 2004 Conductores electricos (1 a 3 KV) RED SUBTERRÁNEA DE AT Y BT COMPROBACIÓN DE CABLES SUBTERRÁNEOS CABLES &TECNOLOGIA –BOLETIN TECNICO-CENTELSA Proyecto de Instalaciones Subterráneas de Media Tensión Mariela Galarza; Diana Noboa; Ing. Juan Gallo* Facultad de Ingeniería en Electricidad y Computación (FIEC) Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL) Campus Gustavo Galindo, Km 30.5 vía Perimetral DETECCION, ANALISIS Y PREVENCION DE FALLAS EN CABLES SUBTERRANEOS TECNICAS DE DESCARGAS PARCIALES – VERY LOW FREQUENCY - MICROSCOPIA DIGITAL 3D – RAYOS X Autor: Ing. Pablo Porfiri Director de Servicios y Ensayos Especiales EXPLOTACIÓN OPTIMA DE CABLES SUBTERRÁNEOS CODENSA S.A E,S,P. Carlos Alberto Rodríguez, Aldemar Rosso, Juan de Dios Suárez Modelado electromagnético en cables subterráneos Reynaldo Iracheta Cortez Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del I.P.N (Unidad Guadalajara) [email protected] CABLES SUBTERRÁNEOS Realizada por Agustín Gonzales UNIVERSIDAD NACIONALDE MAR DEL PLATA DIAGNOSTICO DE ESTADO ELECTRICO DE CABLES SUBTERRANEOS DE MEDIA TENSION GRADO DE CONFIABILIDAD – DETECCION DE FALLAS INDUCOR

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