APUNTES SEGUNDO PARCIAL DE DISTRIBUCION ELECTRICA II

LINEAS SUBTERRANEASCONDUCTORES AISLADOS

Muchas de las líneas primarias de distribución del centro de la ciudad y de las ciudadelas residenciales de alto nivel de vida, están instaladas bajo el nivel del terreno o son subterráneas.A partir de 1970 los cables conectores, equipos de protección y maquinaria para la instalación y componentes para líneas subterráneas tuvieron un considerable desarrollo, su instalación se hizo más sencilla y menos costosa.

ASPECTOS ELÉCTRICOS DE LÍNEAS SUBTERRÁNEAS

Característica del conductor Impedancia Amperaje Otros temas

APLICACIONES

1. Distribución residencial subterránea2. Ramales subterráneos3. Lazos abiertos que alimentan urbanizaciones residenciales

Las empresas eléctricas usan construcción subterránea para salidas de las líneas primarias de subestaciones de distribución, acometidas de transformadores de distribución, cruce de ríos, cruce de autopistas y cruce de líneas de transmisión.

FACTORES QUE AFECTAN EL COSTO DE LÍNEAS SUBTERRÁNEAS

1. Grado de desarrollo urbanístico del áreaLas vías, veredas, tuberías de agua, carreteras, calles, afectan la construcción e incrementan los costos.

2. Tipo y condición del sueloSuelos rocosos, congelados o con aguas superficiales requieren mayor trabajo del personal de instalación de cables.

3. Tipo urbano, residencial o ruralConstrucción en el centro de la ciudad es más costosa por el tráfico principalmente, construcción rural es generosamente más barata.

4. CanalizaciónEl empleo de ductos o tuberías cubiertas con concreto es más costoso que la instalación de cables pre- ensamblados contenido en tuberías flexibles, que es más cara que el cable directamente enterrado en el suelo sin tubería.

5. Tamaño de cables y materialesEl costo actual del cable es relativamente pequeño en comparación con el costo total del sistema de distribución subterráneo, esto es instalación y equipos

6. Equipo empleado para la instalaciónEquipos cada vez más poderosos y apropiados para los distintos tipos de superficie, facilitan la instalación subterránea de cables.

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DISTRIBUCIÓN RESIDENCIAL SUBTERRÁNEA (URD)

Un circuito clásico de distribución residencial subterránea es un lazo abierto alimentado de cada extremo por un circuito de distribución aéreo. El arreglo de lazo abierto permite a la distribuidora restablecer el servicio más rápidamente, después que las cuadrillas del personal localizan la sección de cable bajo falla, se reconfigura el lazo y se aísla la sección de cable bajo falla.Todos los clientes quedan posteriormente con servicio. La cuadrilla puede posponer el arreglo del cable hasta el momento más conveniente o cuando llegue el equipo requerido. No toda alimentadora de distribución primaria es un lazo abierto, algunos ramales son puramente radiales.

LOS TRANSFORMADORES TIPO PADMOUNTED

Reducen el voltaje de media tensión para servir a los clientes y suministran punta de seccionamiento. Las pistolas (elbow connectors) o codos de conexión (pistol grips) se conectan a los terminales del transformador para mantener un frente sin partes energizadas o vivas. Para desconectar una sección de cable simplemente se retira el codo desde el terminal del trafo y se lo coloca en un soporte que sirve para soportar líneas energizadas.Codos y otras terminaciones están disponibles para corrientes nominales de 200 y 600A. Codos con capacidad de desconexión de carga existen para corrientes de 200A. Si el codo no dispone de capacidad de interrupción de carga, el personal debe desconectar la línea de distribución o retirar el codo.Los codos son probados para soportar 10 ciclos de corriente de falla, a codos de 200A se les aplica 10KA y codos de 600A se prueban con 25KA. El punto de interconexión entre un circuito aéreo y uno subterráneo se realiza en un poste de salida (rise pole, dip pole). Las terminaciones de cable, puntas terminales, suministran la interface adecuada entre cable aislado y líneas desnudas. Estas terminaciones evitan sobrevoltajes excesivos en el aislamiento y la entrada de agua en los cables, lo que es crítico para la confiabilidad del servicio. En el mismo poste se instalan cajas fusibles del tipo expulsión (cutout) para protección de sobrecorriente. En circuitos con alta capacidad de corriente de cortocircuito se pueden instalar fusibles limitadores de corriente (current limited fuses). Para proteger el cable contra descargas de origen atmosféricas, en el mismo poste se conectan pararrayos (surge arrester) en paralelo con los terminales del cable, empleando para la conexión, alambre de Cu de la mayor longitud posible. La durabilidad del plástico para cable aislado con polietileno se asume una vida útil de 30 años de instalado. Las líneas primarias de distribución se las ubica en veredas, frente a los lotes, viviendas.

ALIMENTADORAS PRINCIPALES O TRONCALES

Para incrementar la confiabilidad, las troncales de las líneas de distribución bajo tierra son del tipo de lazo abierto con varios puntos de interconexión con otras alimentadoras. Se emplean gabinetes de conexión o cajas de unión (junction boxes), las que sirven como puntos de interconexión de ramales y acometidas de media tensión. Estos elementos pueden estar en bóvedas o dentro del gabinete de los tafos o en pedestales sobre el terreno. También se pueden instalar circuitos de distribución subterráneo trifásicos con configuraciones similares a las líneas de distribución residencial con tramos de cables conectados entre trafos trifásicos. Los trafos padmounted sirven como punta de seccionamiento. Muchas de las S/E de distribución tienen salidas subterráneas de primarios en media tensión. Para reducir el riesgo de falla en salidas subterráneas, las mismas se protegen con ductos de concreto, se dejan cables de repuestos, se sobredimensionan los cables y se instala una buena protección contra sobrevoltaje.Las distribuidoras emplean las mismas especificaciones técnicas para salidas de S/E de distribución que para cables subterráneos que cruzan avenidas o autopistas de alto tráfico, ríos.

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SISTEMAS BAJO TIERRA EN EL CENTRO DE LA CIUDAD

Los cables en general son protegidos por un banco de ductos cubiertos con concreto, instalados bajo las calles y aceras. Cada banco de ducto posee de 4 a 9 ductos. Pueden ser prefabricados de concreto o de PVC. El banco de ductos puede llevar, en distintos ductos cables primarios y secundarios. A lo largo de la ruta de la línea subterránea se construye cajas de revisión para poder alcanzar los cables.

LÍNEAS AÉREAS VS SUBTERRÁNEAS

Ambos tipos de diseño tienen ventajas, la mayor ventaja de circuitos aéreos es su menor costo. Un circuito subterráneo puede llegar a costar hasta el triple de un circuito aéreo. Sin embargo, la comparación integral a largo plazo de costos tan diversos de los dos tipos de sistemas, incluyendo costos de operación y costos de instalación es muy complicada. En áreas del centro de la ciudad, en que se requieren muchos circuitos primarios y secundarios es casi la única opción, además debido a la escasez y al costo elevado de espacio sobre tierra. En aplicaciones rurales el costo de circuitos subterráneos es difícil de justificar debido a lo largo de los circuitos.

Los circuitos subterráneos son más confiables. Circuitos aéreos en promedio fallan cerca de 90 veces/ 100 millas/ año, circuitos subterráneos fallan menos que 10 veces/ 100 millas/ año. La desventaja de circuitos subterráneos es que es difícil detectar el punto de falla en cables, reparar daños, o reemplazar el equipo bajo falla. Esto puede ser parcialmente superado utilizando lazos abiertos capaces de suministrar servicio a los clientes desde dos alimentadoras, con el uso de tubería, para facilitar el reemplazo de cable y el empleo de mejores equipos y técnicas de detección de fallas. Los circuitos subterráneos tienen menor capacidad de sobrecarga que los equipos aéreos desnudos.

Los circuitos subterráneos son mucho menos afectados por los fenómenos naturales, descargas atmosféricas, viento, etc. El costo de mantenimiento promedio anual de los sistemas de distribución subterráneo es el 2% de la inversión en líneas y equipos, para sistemas aéreos esta entre el 3% y 4%. Los sistemas aéreos están más expuestos al público, animales, maquinaria pesada.

En la práctica, las líneas de distribución son de construcción mixta, con combinaciones de secciones aéreas y subterráneas como las siguientes:

1. Troncales aéreas con ramales subterráneas

Los conductores que transportan mayores corrientes ubicadas en las troncales, son aéreas. Los equipos mayores como reguladores, bancos de capacitores son ubicados en líneas aéreas.

2. Primarios aéreos (MT) con secundarios subterráneos (LT)

Los secundarios subterráneos reducen la congestión de las líneas aéreas. Los costos en este caso son reducidos porque el equipo de media tensión es aéreo.

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CABLES AISLADOS

En el centro del cable se encuentra ubicado el conductor de fase, sobre el mismo una pantalla semiconductora, luego el aislamiento propiamente dicho, una pantalla semiconductora del aislamiento, el neutro o pantalla, y finalmente la chaqueta.

Cable concéntrico del neutro: normalmente empleado para distribución subterránea residencial. Tiene conductor de aluminio y un neutro concéntrico, compuesto de varios alambres de cobre arrollados concéntricamente alrededor del aislamiento. El neutro concéntrico hace las funciones de verdaderos neutros que conducen la corriente de retorno Ir en sistemas aterrizados.

Cable de poder: tiene conductores de fase bien sea de cobre o aluminio y normalmente una pantalla de cinta de cobre. En circuitos de distribución los cables de poder son utilizados en troncales de alimentadoras, alimentadoras en red y otros tipos de circuitos trifásicos de alta corriente.

Existen otros tipos de cables de medio voltaje aplicables a circuitos de distribución, tales como cables de potencia trifásicos, cables resistentes al fuego, cables submarinos, cables extraflexibles.

AISLAMIENTO ELECTRICO DEL CABLE

El aislamiento del cable le permite soportar alto voltaje. El aislamiento de polímero de un cable de un grosor de 4.5mm es capaz de soportar cerca de 8KV continuamente, esto es 20KV por cm. Además de soportar altos voltajes, el aislamiento debe aguantar altas temperaturas durante sobrecarga y cortocircuito; además debe ser lo suficientemente flexible para permitir su instalación.

A partir de 1970, las empresas distribuidoras comenzaron a emplear cables aislados con polímeros entre los que se destaca los siguientes:

Polietileno de alto peso molecular (HMWPE) Polietileno de enlace cruzado (XLPE) Polietileno de desarrollo tardío de árboles (TRXLPE) Caucho etileno Propileno (EPR)

Constante dieléctrica

También denominada permitividad. Esta determina la capacitancia eléctrica del cable. La constante dieléctrica es la razón de la capacitancia embutida con material aislante para la capacitancia de la misma configuración física de espacio libre. Cables con mayor capacitancia absorben más corriente capacitiva (charging current) en atraso.

Resistividad del aislamiento por unidad de volumen ρ

Permite circular corriente de fuga resistiva (leakage current) a través de ella. La resistividad disminuye con el incremento de la temperatura. El aislamiento moderno tiene tan alta resistividad que muy pequeñas corrientes de fuga resistivas pasan a través del mismo.

Pérdidas dieléctricas (dielectric losses)

De igual manera que en un capacitor real, el cable provoca pérdidas dieléctricas. Estas pérdidas se deben al movimiento de los dipolos dentro de los polímeros o por movimiento de los transportadores de carga dentro del aislamiento. Las pérdidas dieléctricas contribuyen con la corriente de fuga resistiva. Las pérdidas dieléctricas aumentan con la frecuencia y la temperatura, así como con el voltaje de operación.

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Factor de disipación

También denominado ángulo de pérdida, Tg(δ) y factor de potencia aproximado. El factor de disipación es la razón de la corriente resistiva absorbida por el cable y la corriente capacitiva. Debido a que la corriente de fuga es normalmente baja, el factor de disipación es aproximadamente igual al factor de potencia.

MATERIALES DE AISLAMIENTO MODERNOS

1. Polietileno

El polietileno es un polímero fuerte y barato con buenas propiedades eléctricas. El polietileno es un polímero etileno. En el polietileno, algunas de las cadenas de polímeros se alinean en regiones cristalinas las cuales le dan fortaleza y resistencia a la humedad.

Otras regiones tienen cadena de polímeros no alineadas, denominadas regiones amorfas, las que le dan flexibilidad, pero son permeables a los vapores y a la humedad y es donde se localizan sus impurezas. La temperatura de operación del polietileno es 75 ºC.

El polietileno es termoplástico, cuando se lo calienta se suaviza y las regiones cristalinas el polímero se rompen, llegando a ser completamente amorfas, cuando se enfrían las regiones cristalinas se restablecen. El polietileno tiene naturalmente alta densidad y excelentes propiedades eléctricas, con resistividad ρ mayor a 1014 Ω-m, y una resistencia de impulso sobre los 2700 voltios/ mil.

2. Polietileno de alto peso molecular (HMWPE)

Es más fuerte, más rígido y más resistente al ataque de químicos que el polietileno estándar. Además tiene mejores propiedades eléctricas debido al mayor peso molecular de sus largas cadenas. Es un termoplástico con temperatura nominal de 75 ºC. El polietileno se suaviza considerablemente a medida que la temperatura se incrementa. Su resistencia eléctrica se degrada electromecánicamente.

3. Polietileno de enlaces cruzados (XLPE)

Agentes de enlaces cruzados son agregados para formar uniones o enlaces entre cadenas de polímeros. Los enlaces cruzados convierten al XLPE en semicristalino y le agregan rigidez. Es termo establecido (thermo set), lo que significa que es material vulcanizado o “curado” creando enlaces cruzados irreversibles cuando el material se enfría. Tiene aproximadamente las mismas características eléctricas que el polietileno, es más rígido y resistente más al agua que este ultimo. Temperatura= 90 ºC bajo condiciones normales y 130 ºC para condiciones de emergencia o sobrecarga.

4. Polietileno de enlace cruzado con retardo de árboles (TR- XLPE)

Varios compuestos se han añadido al XLPE para reducir su tendencia a sufrir de arboles de agua. Estos aditivos reducen ligeramente sus propiedades eléctricas, incrementan sus pérdidas dieléctricas y reducen su resistencia de aislamiento inicial, pero muestran mejores capacidades de aislamiento con el paso del tiempo. Este tipo de aislamiento TR- XLPE ha reemplazado al XLPE estándar en media tensión. Existen varios tipos de TR- XLPE, el más usado es HFDA 4202 de UNION CARBIDE DOW.

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5. Caucho de etileno – propileno (EPR)

Este aislamiento es termoestable, luego de ser curado con vapor a alta temperatura. Cuando es nuevo el EPR solamente tiene la mitad de resistencia de aislamiento que el XLPE, pero a medida que envejece su resistencia de aislamiento no decrece tan rápido como la de este último. El EPR es naturalmente resistente a arboles de agua y aunque es suave, se comporta adecuadamente con el incremento de temperatura. El aislamiento EPR tiene una temperatura nominal de hasta 105 ºC bajo condiciones normales y 140 ºC para condiciones de emergencia o sobrecarga. El EPR tiene pérdidas dieléctricas superiores al XLPE. El EPR además de su uso como aislante de cable se lo emplea para construir uniones o conectores para cables aislados. El EPR es más costoso y tiene mayores pérdidas de potencia que el TR-XLPE, sin embargo es más suave, fácil de instalar y mayor temperatura inicial.

NIVELES DE AISLAMIENTO

Los voltajes nominales de cable, aunque sean monofásicos, se expresan en base de voltajes de línea a línea. Los voltajes nominales de clase de los cables son 5, 8, 15, 25 y 35KV.Un circuito monofásico con un voltaje nominal de 7200V de línea a tierra debe usar cable de clase 15KV, no de clase 8KV. Dentro de cada clase de voltaje nominal de cable existen varios grosores de aislamiento disponible. Los estándares especifican 3 niveles de aislamiento de cable, dependiendo de cómo los mismos son aplicados.

Los principales factores para la aplicación del grosor son:

El aterrizamiento y la habilidad del sistema para despejar una falla de línea a tierra, a fin de limitar el sobrevoltaje de las fases sanas, los tres niveles de aislamiento estándares son:

1. Nivel de aislamiento 100%

Que se aplica donde fallas de líneas a tierra pueden ser despejadas rápidamente en menos de un minuto, lo cual es normalmente apropiado para circuitos aterrizados. Estos cables son de fabricación normalizada.

2. Nivel de aislamiento 133%

Donde fallas de línea a tierra pueden ser despejadas dentro de una hora, normalmente adecuado para circuitos aterrizados con alta impedancia. Estos cables son de fabricación normalizada.

3. Nivel de aislamiento 173%

Donde las fallas de línea a tierra pueden ser despejadas dentro de más de una hora. Estos cables no están disponibles, generalmente son de fabricación bajo pedido o si no se usa cable 25KV. Normalmente adecuado para circuitos no aterrizados

El mayor porcentaje de grosor de aislamiento protege al cable contra sobrevoltajes temporales provocados por fallas y descargas atmosféricas y reducen la probabilidad de fallas provocadas por la aparición de arboles de agua. Los más utilizados de 100% son 15KV.

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CONDUCTORES DE CABLES AISLADOS EN LA DISTRIBUCIÓN RESIDENCIAL SUBTERRÁNEA

Las empresas eléctricas normalmente emplean conductores de aluminio, 80% de las empresas en los EEUU utilizan el alloy de aluminio 1350, el resto de las empresas emplean cobre suave. El cobre es más empleado en la construcción de circuitos urbanos y en aplicaciones industriales. El cobre tiene mayor ampacidad y menor resistencia para un calibre dado.

La clase B de enhebrado es de clase estándar. En caso de que se requiera más flexibilidad se emplea la clase C. Cada capa de hilos es arrollada en una dirección contraria.

Neutro o pantalla de cable aislado

La pantalla o neutro de un cable aislado es una barrera metálica que rodea el aislamiento del cable. El neutro mantiene el exterior del cable al mismo potencial que la tierra. También suministra un camino de retorno para corrientes desbalanceadas y para corrientes de falla. El neutro además protege de fallas debido a otras fuentes. La pantalla metálica se la llama también vaina o funda.El neutro concéntrico está constituido por alambre de cobre arrollados sobre la pantalla semiconductora del aislamiento. Para cables de ramales monofásicos, las empresas utilizan el denominado neutro completo 100% que significa que la resistencia del neutro es igual a la resistencia del conductor de fase.También es de uso común el denominado neutro de 1/3, que posee una resistencia tres veces la de un conductor de fase. En líneas de distribución residenciales se utilizan neutros completos y en líneas comerciales y troncales se aplican neutros reducidos.

Los denominados cables de potencia normalmente tienen un neutro de cinta de cobre de 5 milésimas de pulgadas de espesor. La cinta es bobinada helicoidalmente alrededor del cable con cierto traslape. Este tipo de pantalla, por su reducido espesor, se espera que no conduzca corrientes desbalanceadas.

Sea el neutro del tipo alambre o cinta, se debe emplear para su construcción cobre, ya que el aluminio se corroe fácilmente.

Pantalla semiconductora

En este caso el semiconductor significa “que conduce algo”. Este material posee cierta resistencia, con una resistividad de 500Ω-m. Esta resistencia es más que la que presenta el conductor, y mucho menor que la que muestra el aislamiento. A estas capas se las llama también “pantallas”, y tienen un grosor de menos de 80 milésimas.

La función de la primera capa del material semiconductor es distribuir uniformemente el campo eléctrico en la interfase entre el conductor y el aislamiento, y la otra capa realiza la misma función entre el aislamiento y el neutro para evitar la ruptura eléctrica del conductor.

Estas pantallas son constituidas adicionándole carbón a un polímero aislante normal como el polietileno o polietileno de enlace cruzado o al EPR. La pantalla del conductor es normalmente de 20 a 40 milésimas de grosor. La pantalla del aislamiento es de 40 a 80 milésimas de espesor. Para cables de mayor diámetro se usan pantallas semiconductoras más gruesas.

Las pantallas semiconductoras juegan un papel importante en la formación de arboles de agua. Los arboles de agua más peligrosos son los que se inician en la interfase entre el aislamiento y la pantalla semiconductora. Los arboles se inician en espacios vacios y en impurezas en esta interfase.

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Chaqueta

La mayoría de los cables actuales poseen chaqueta, que es extruida entre y sobre los alambres del neutro. La chaqueta suministra una protección parcial contra la entrada de agua, así como una protección mecánica para el neutro. Sin la chaqueta, el agua entra fácilmente al aislamiento y acelera la formación de árboles.

Para la chaqueta se emplean varios materiales. En la actualidad el material de uso más común es el polietileno de baja densidad lineal. El PVC tiene muy buenas propiedades como chaqueta, pero el LLDPE es aún mejor en muchos aspectos; propiedades mecánicas, límites de temperatura y entrada de agua.La impermeabilidad del LLDPE es diez veces mejor, comienza a fundirse a 100°C y su coeficiente de fricción es menor, lo que facilita su instalación en ductos.

También existen chaquetas constituidas con material semiconductor lo que significa una ventaja desde el punto de vista de aterrizamiento, siendo igual a la del cable sin chaqueta, pero impidiendo la entrada de agua. Un neutro en contacto con el suelo mejora el aterrizamiento de equipos y la protección en contra de sobre voltajes. Sin embargo, se recomienda no usar chaquetas de semiconductor porque permiten el paso de mayor cantidad de agua y contribuye a la corrosión del neutro. El carbón en la chaqueta crea corrientes galvánicas con el neutro y otros metales cercanos. Especialmente con la presencia de agua en el cable, el carbón de la chaqueta acelera la corrosión del neutro.

METODOS DE INSTALACIÓN DE CABLES SUBTERRÁNEOS

Las formas más comunes son las siguientes:

1.- Excavar zanjas.- Esta es la forma más común de instalar cables, bien sean directamente instaladas o por tuberías. Después que la zanja es abierta, el cable es instalado y se debe rellenar la misma para restablecer la superficie del terreno.

2.- Arar zanjas.- Una maquina rompe y levanta el suelo al mismo tiempo que entierra el cable en la zanja. Este método elimina la necesidad de restablecer la superficie del terreno y es 30% más barato que el método de realizar zanjas. Sin embargo este método reduce la capacidad de conducción de corriente a la presencia de bolsas de aire entre el cable y el terreno no compactado alrededor del cable.

3.- Realizar túneles.- Una serie de tecnologías para excavar túneles son utilizadas bajo vías existentes o para mayores distancias.

Las empresas tienen diferentes opciones para instalar cables.

1.- Directamente enterrado.- Los cables son directamente enterrados en la tierra. Este método es el más rápido y más barato. Su mayor desventaja es que la sustitución y la reparación de cables son difíciles.

2.- Tubería.- Permite un reemplazo o reparación rápida de los cables. Tuberías de PVC rígida es el material comúnmente empleado. Sin embargo, acero y HDPE y fibra de vidrio son también empleados. Cables instalados en tuberías tienen menor capacidad de conducción de corriente que cables instalados directamente en tierra.

3.- Directamente enterrado con tubería de reserva.- Cuando el cable es directamente enterrado, simultáneamente se lo hace con una tubería de reserva, que posteriormente se la usa para instalar un cable que reemplace al dañado.

4.- Tubería fundida en concreto.- En instalaciones urbanas, con frecuencia se emplean tuberías en concreto. El concreto protege a la tubería contra excavaciones riesgosas.

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5.- Cable pre-ensamblado en tubería.- Las empresas emplean tuberías con mayor frecuencia en el caso de circuitos 3Ø de alimentadoras y servicios comerciales. El empleo de tubería PVC aumenta los costos con respecto a cables directamente enterrados, de un 25 a un 50%.

El código de seguridad eléctrica (National Electrical Safety Code) exige que el cable enterrado directamente esté a una profundidad de 0.75m. En la práctica, la profundidad de la zona es de por lo menos 0.90m.

En cables de comunicación son enterrados conjuntamente con cables primarios de potencia, en el caso de estar directamente enterrado, la norma requiere que el neutro tenga por lo menos la mitad de la conductividad de los conductores de fase.

En instalaciones urbanas. Para cables 3 Ø del tipo PLC se emplean ductos de 3, 3.5 y 4 pulgadas de diámetro, debido a que cables equivalentes con aislamiento de polímeros tiene una mayor sección.

IMPEDANCIAS DE LINEAS

Los valores de impedancias de las líneas son necesarios para calcular caídas de voltajes, flujo de potencia, corrientes de cortocircuito y pérdidas en la línea.

Para encontrar la impedancia se usan 3 métodos.

1.-Datos obtenidos de tablas.2.- Cálculos realizados a mano.3.- Cálculos realizados por la computadora.

Capacidad de conducción de corriente de cable aislado (ampacity)

La ampacidad de un cable es el valor máximo continuo de corriente con el que se diseña la operación de un cable. Este valor de corriente es solo un valor de diseño, que depende de varios factores, como son temperatura del medio, velocidad del viento.

La temperatura de aislamiento de cable es normalmente el factor limitado de un cable. Existe una temperatura máxima recomendada según cada tipo de aislamiento. Cables aislados con polietileno de enlaces cruzados, XLPE, son diseñados para una temperatura máxima de operación de 90°C. Operar el cable con temperaturas superiores, incrementa la posibilidad de fallas prematuras; los árboles de agua pueden crecer más rápidamente, fallas por rupturas térmicas son más probables y la resistencia del aislamiento puede decrecer, los cambios cíclicos de temperatura también envejecen el aislamiento.

El valor máximo de corriente, con mucha frecuencia, limita la carga conectada a un cable; en muy contadas ocasiones, la caída de voltaje limita el valor de la carga

En comparación con las líneas aéreas, los cables aislados enterrados de un tamaño determinado, tienen menor impedancia X1 y menor capacidad de conducción de corriente. De tal manera que circuitos de cables aislados son mucho menos susceptibles a ser limitados por caídas de voltaje que las líneas aéreas.

Sólo en el caso de muy pequeños voltajes primarios <4kV para cables de mayor longitud se podría presentar esta limitación. Sin embargo la capacidad de conducción de corriente no es el único factor para la selección de que cable también se puede considerar las pérdidas de energía y la inversión en inventario. No es buena idea escoger el cable de menor sección que cumple con la capacidad de corriente requerida

Los cálculos de capacidad de corriente para conductores siguen leyes simples. La temperatura alcanzada en el cable depende del valor de la corriente, I 2 R y la cantidad de calor que se emite y sale del mismo.

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En los cables aislados hay 4 fuentes de calor1. Perdidas por efecto joule en conductor 2. Perdidas por efecto joule en el neutro3. Perdidas por efecto joule en el aislamiento y 4. Las perdidas en el aislamiento dieléctrico debido al movimiento de dipolos o transportadores de

carga del aislamiento

Las 2 últimas pérdidas en conductores de voltaje de distribución modernos de aislamiento de polímeros se pueden despreciar.

Los elementos con mayor resistencia térmica para el conductor son:

El aislamiento la chaqueta el aire y en mucha menos escala, la tierra y el concreto.

La resistencia térmica se calcula con la siguiente fórmula:

R=0.012 ρ log ( Dd )

Donde:

R :resistenciatermica del elemento [ohmios termicos−pies]

ρ :reisitividad termicadel elemento[° C− cmW

]

D :diámetro exterior del elementod :diámetro interior del elemento

La resistencia térmica cuantifica la característica de aislamiento de un material

RESISTENCIA TERMICA DE ELEMENTOS COMUNES EN LINEAS AISLADASElemento

ρ :reisitividad térmica° C− cmW

Aislamiento XLPE 350Aislamiento EPR 500Aislamiento papel 700Chaquetas de PVC 500

Concreto 85Tierra 90Agua 160Aire 4000

Con frecuencia, la forma más fácil de encontrar la capacidad de corriente para una cierta aplicación, es el empleo de tablas que muestran la capacidad de conducción de corriente para configuraciones comunes de distribución. Cuando se usa la tabla, se debe tener cuidado que los valores asumidos para confeccionar las mismas, concuerden con la situación y configuración particular.

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AMPERAJES DE CABLES EN CIRCUITOS 1ø DE CONDUCTORES DE Al CON NEUTRO COMPLETO 100%

Directamente enterradoFactor de Carga

En TuberíaFactor de Carga

100% 75% 100% 75%1/0 233 252 180 1883/0 290 316 223 234

350 Kcmil 424 469 326 345

Si se permite un incremento de la temperatura del conductor, la capacidad de conducción de corriente incrementa. En condiciones de emergencia (overload), el aislamiento XLPE puede ser operado a 130 °C y el aislamiento EPR puede ser operado a 140 °C . Las normas ICEA permiten condiciones de operación en emergencia por 100 horas/año, con cinco de tales periodos a lo largo de la vida del cable. Cables de polietileno puro, incluyendo el tipo HMWPE tienen poca capacidad de sobrecarga.

La temperatura máxima recomendada durante condiciones de emergencia es de 95 ° C

CONVERSIONES DE AMPERAJE NOMINALES Tamb=95 °CTemperatura Inicial Temperatura final Multiplicador de Amperaje

75 95 1.1590 75 0.9090 105 1.0890 130 1.2105 140 1.14

Tuberías (conduits)

El espacio de aire dentro de las tuberías o ductos reduce significativamente el amperaje de los conductores. El aire es una barrera que atrapa una mayor cantidad de calor dentro del cable. Cables directamente enterrados en el suelo pueden tener de 10 a 25% mayor amperaje.Aunque es variable la cantidad de aire en ductos, la diferencia práctica en el desempeño térmico de cable es insignificante al comparar los tamaños de ductos comúnmente usados.

Bancos de ductos de concreto

Tienen aproximadamente el mismo comportamiento térmico que tuberías directamente enterradas. El concreto es más consistente y menos propenso a fluctuaciones de su comportamiento térmico provocados por la humedad.

Resistividad térmica del suelo y temperatura

Suelos con baja resistividad térmica conducen calor más rápidamente desde los cables. La humedad es un factor muy importante. Suelos húmedos tienen más baja resistividad térmica. Suelos más densos, normalmente tiene mejor conductividad térmica.

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Más que ningún otro factor, la resistividad del suelo influye en la temperatura alcanzada y en el amperaje

de cable directamente enterrado. Una resistividad térmica de 90 ° C−cmW

se asume con frecuencia para

cálculos de amperaje. Este número es conservador para muchos suelos, pero si el terreno muestra resistividades mayores, la temperatura del cable puede ser mucho mayor.

Para suelos típicos, la muestra los rangos de resistividades térmicas. Para instalaciones enterrados a profundidades normales (0.75 m a 0.9m) la resistividad térmica varia significativamente con la estación del año, debido a la variación de humedad en el terreno. Los cambios de temperatura del suelo se retrasan con respecto a los cambios de temperatura del aire, del medio, de dos a cuatro semanas.

Desafortunadamente en muchos sitios precisamente cuando se necesitan un alto amperaje, durante el verano el suelo está más caliente y más seco. Los cambios de temperatura estacionales pueden ser significantes, pero los cambios diarios de temperatura no lo son.

Profundidad

La profundidad a la que se entierran los cables afecta el amperaje. Con una resistividad térmica y temperatura del suelo constante, enterrado a mayor profundidad se reduce el amperaje de los cables.En áreas de suelos de alta resistencia térmica, como arcilla seca, se puede emplear relleno térmico para

obtener un mejor desempeño, con una resistividad térmica menor a 60 °C− cmW

aun cuando el

contenido de humedad se reduzca a menos del 1%.

Temperatura de la interfase con la tierra

Debido a que la conductividad térmica del suelo depende de la humedad, la temperatura en la interfase entre el cable o el ducto y el suelo es muy importante. Desafortunadamente el calor tiende a alejar la humedad. Altas temperaturas en la interfase resecan el terreno que rodea los cables o los ductos, con el consecuente incremento de la resistividad térmica. Cuando se produce un efecto cadena, de acción y reacción, se puede llegar a una falla de aislamiento.Los cables directamente enterrados son los más propensos a este efecto, debido a que los ductos suministran una barrera que reduce la temperatura de la superficie en contacto con el terreno. Dependiendo de la resequedad del terreno, se limita la temperatura de la superficie con el rango entre 50 y 60ºC para reducir el riesgo de falla.

Desbalance de corrientes

La mayoría de las tablas de amperaje asumen corrientes trifásicas balanceadas. En sistemas de distribución múltiplemente aterrizados, esta consideración se cumple muy pocas veces. Además las corrientes desbalanceadas de retorno puede incrementar el calor en el cable que lleva la mayor corriente de fase. Esto puede o no ser, lo que depende de las relaciones de fase y del ángulo. La corriente de retorno puede incrementar la corriente del neutro en la fase más cargada.Pantallas de alta resistencia reducen las corrientes circulantes y el desbalance de corriente. El calor generado en la pantalla debido a la corriente desbalanceada, también disminuye con el incremento de la resistencia, excepto para pantallas de muy baja resistencia, donde la misma tiene menor resistencia que los conductores de fase.

Voltaje del sistema y grosor del aislamiento

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Ninguno de los dos afecta significativamente el amperaje de cable aislado de distribución. El amperaje permanece constante con el voltaje, cables de 5KV tienen aproximadamente el mismo amperaje de cable de 35KV

PRUEBA DE AISLAMIENTO DE CABLES

En general para probar un cable y determinar la integridad del mismo se emplea una prueba de alto potencial (high pot test). En esta prueba un voltaje de corriente continua es aplicado de 5 a 15 minutos. La norma IEE- 400 especifica que el voltaje para un cable de clase 15KV es 56KV en el caso de un cable nuevo, y de 46K para una prueba de mantenimiento.

La prueba de alto voltaje, es una prueba de resistencia bruta o extrema que puede detectar fallas inminentes. Pero esta prueba no cuantifica la cantidad de deterioro, causado por los años. Es una prueba que se pasa o no se pasa.

La prueba de corriente continua provoca controversia debido a que en algunas ocasiones la misma a causado daño al cable tipo XLPE, así como acelerada formación de arboles. Por esta razón para probar cable 15KV del tipo XLPE, 100% de aislamiento (175 mil, 4:445m), el instituto EPRI nos recomienda:

No realizar pruebas a voltajes de 40KV (228V/ mil), en cables antiguos, especialmente en aquellos que han fallado por lo menos una vez en operación y que son luego reparados.

Para voltajes de prueba mayores a 300V/ mil el deterioro era predominante. Probar cables nuevos del tipo 15KV, en fábrica a 70KVdebido a que no se aprecia ningún efecto

posterior al realizar esta prueba. Cable nuevo puede ser probado a 55KV en el campo, previo a su energización. Pruebas de voltaje directo de mayor magnitud tal como 200V/ mil no determinan reacciones en

mal estado del cable.

Otra opción para mantener la integridad del cable es una prueba de corriente alterna, que no afecta el aislamiento sólido. En esta prueba se usa corriente alterna de baja frecuencia, 0.1Hz, que puede causar menor daño que la prueba de corriente continua.

LOCALIZACIÓN DE FALLAS EN CABLES ENTERRADOS

Las empresas de distribución usan una variedad de equipos y técnicos para localizar fallas en cables bajo tierra. Algunas de estas opciones son descritas en los siguientes párrafos.

Divide y reina: en un ramal subterráneo de distribución, donde un fusible ha operado, los electricistas localizan una sección de cable que ha fallado abriendo el cable en varios puntos. La cuadrilla comienza abriendo el cable cerca del centro del mismo, para luego reemplazar el fusible. Si el fusible vuela, la falla está en el cable hacia el lado de la fuente; si el fusible no opera, la falla está en la sección desconectada aguas abajo. El personal luego abre el cable, aproximadamente en el centro de la sección a probarse, y continúa de esta manera dividiendo el circuito en los puntos apropiados. Normalmente se emplea como puntos de división de los transformadores tipo padmounted. Evidentemente, cada vez que se cierre el cable cuando existe una falla, se provoca más daños en el punto de la falla y el resto del sistema de distribución sufre el esfuerzo de soportar la corriente de falla. De usar fusibles limitadores de corrientes se reduce este esfuerzo, pero incrementa el costo de las pruebas.

Indicadores de falla (fault current indicators FCI): Los equipos indicadores de falla son pequeños aparatos que poseen tenazas (ganchos) que se colocan alrededor del cable para medir la corriente y señalar la presencia de corriente de falla. Normalmente estos indicadores se los instala en transformadores padmounted. Los indicadores no determinan el punto exacto de falla.

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Para lo anterior se puede usar adicionalmente el método del estruendo (thumper), el cual permite identificar con precisión el punto de falla en un cable. Si una sección entera de cable se encuentra instalada en tubería, la cuadrilla no necesita determinar exactamente el punto de falla, lo único que se requiere es retirar el cable y reemplazarlo por uno nuevo. Si una falla es visible desde el exterior de la tubería, resulta más sencillo reparar el cable en el sitio.

El empleo de indicadores de falla reduce significativamente la interrupción repetida de servicio al facilitar la etapa en que se determina la ubicación de una sección de cable en falla, comparando con el método de divide y reina. Los modelos de indicadores de falla que producen una señal audible o tienen un indicador externo evitan el tiempo de apertura requerido por abrir los tableros o gabinetes donde se instale los indicadores.

Las empresas emplean con frecuencia indicadores de falla en lazos de distribución subterránea en áreas residenciales.

Otra localización adecuada para indicadores de falla es en las terminaciones de secciones de cable de circuitos aéreos, que son comunes en cruces de ríos o de autopistas. Estas secciones no son protegidas con fusibles, pero los indicadores de falla le muestran a las cuadrillas si la sección de cable ha fallado.

Los indicadores de falla pueden ser reestablecidos, es decir, encerados en una variedad de formas. En unidades de restablecimiento manual, la cuadrilla debe restablecer los mismos sólo una vez que han operado. Estas unidades son menos confiables para indicar una falla reciente. En el caso de equipos que se autorestablecen son más confiables debido a que se restablecen automáticamente, en base a corriente, voltaje o tiempo.

Prueba de seccionamiento de cable (section testing): Las cuadrillas aíslan una a una las secciones de cable y le aplican prueba de alto voltaje continuo. Si el cable soporta la prueba de alto voltaje, la cuadrilla procede a realizar la misma prueba en la siguiente sección y repite lo mismo hasta encontrar la sección que se encuentra en falla. Para realizar la prueba de corriente directa, el cable debe ser aislado del transformador.

Estruendo: Este método aplica un pulso de voltaje de corriente directa al cable. Como su nombre lo indica en el punto de falla se escucha un ruido semejante a un estruendo y estallido cuando se causa repetidamente una descarga en el punto de falla. Este método carga un capacitor y emplea un interruptor que se cierra para descargar el capacitor en el cable. La ubicación de la falla se determina por el ruido causado.

Para ayudar a la cuadrilla a localizar ruidos débiles se emplean aparatos amplificadores, tales como antenas que sintonizan la interferencia de radio frecuencia desde el arco de descarga. Este método es bueno para encontrar la localización exacta de una falla en una sección de cable, de forma tal que la cuadrilla pueda iniciar la excavación. En sistemas de 15KV las empresas eléctricas típicamente utilizan para esta prueba voltajes de pulso de 10 a 15KV, pero ciertas empresas algunas veces usan en la prueba voltajes de 25KV.

RADAR.

También denominada reflectometría en el dominio del tiempo. Un equipo de radar inyecta una corriente de pulso de corta duración en el cable. Cuando encuentra discontinuidades en la impedancia del cable una porción del pulso se genera de regreso hacia el radar, si se conoce la velocidad de propagación de la onda en el cable y el tiempo que le tomo en ir y regresar a la onda, esto nos da un estimado de la distancia hacia la falla. Dependiendo del equipo de prueba y de la graduación, los pulsos de radar pueden ser de 5 nano segundos a 5 micro segundos. Pulsos más angostos dan mejor resolución en el equipo de forma tal, que el operador puede de mejor manera diferenciar entre una falla y reflexiones desde derivaciones y otras discontinuidades en el cable.El radar nos da una determinación exacta del punto de falla el principal objetivo para su uso es reducir la ubicación de la falla a una sección del cable. Luego la cuadrilla puede hacer uso del método del estruendo o alguna técnica de precisión para encontrar el punto de falla. Enviando pulsos de radar desde cada una de

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las terminales del cable y promediando del resultado nos puede guiar a un mejor estimado de la localización de la falla. La aplicación de radar en circuitos con varias derivaciones puede ser complicada; el pulso se refleja desde las diversas derivaciones y la señal de la falla es reducida en magnitud.La tecnología actual ha desarrollado el uso de antenas sobre el nivel del suelo para censar y determinar los puntos de falla basados en señales de radar.

Radar y estruendo: después que un radar u otro equipo de protección despeja una falla en un cable, el punto de falla recobra parcialmente su resistencia de aislamiento. Si se prueba el cable con un medidor de ohmios, se obtendrá una lectura de circuito abierto. De igual manera los pulsos de radar pasan sin ser afectados por la falla, de tal forma que el radar actuando solo no detecta una falla. El uso conjunto del radar con el método del estruendo resuelve este problema.Un pulso del método del estruendo rompe la resistencia en el punto de falla, y el radar superpone un pulso que refleja desde el arco del mismo. El tiempo de crecimiento de la onda de estruendo es del orden de unos cuantos microsegundos; el pulso de radar puede ser de menos de 0.05 microsegundos. Otro método menos atractivo es el uso continuo del método de estruendo para quemar el cable hasta que la resistencia de falla sea lo suficientemente pequeña para obtener una lectura en el equipo de radar. Este método es menos empleado porque somete el cable a muchos más estruendos, especialmente si el equipo usa alto voltaje.De la información suministrada por las empresas distribuidoras se aprecia que los indicadores de falla son los equipos de detección más ampliamente utilizados, sin embargo, las empresas emplean una variedad de técnicas diferentes. Ver fig. Ciertas técnicas de detección de fallas son mejores dependiendo del tipo de circuito, de la configuración del mismo y del equipo de detección empleado.Cuando se aplica pruebas de voltaje a cable, los operadores deben estar conscientes que los cables pueden almacenar una carga eléctrica importante. Los cables aislados tienen una capacitancia significativa que puede mantener la carga eléctrica por varios días.(8.2 equipos de protección)(5.2.1 interruptores de circuitos)

CONEXIÓN A TIERRA Y SEGURIDAD.

La conexión a tierra, o aterrizamientos es una de las principales defensas contra choques eléctricos y sobre voltajes, peligrosos en el interior. Un buen aterrizamiento de los equipos ayuda a reducir las posibilidades de que el personal de linieros y el público reciba descargas debido a fallas internas de los equipos. El sistema de aterrizamiento como las cargas, son conectadas al sistema y como las fallas de línea a tierra son despejadas por el sistema de potencial.La mayoría de los sistemas de Norteamérica tienen aterrizamiento efectivo y poseen un conductor de neutro que actúa como conductor de retorno y como tierra de seguridad del equipo.Hay varias configuraciones de puesta a tierra para sistemas de distribución de potencia 3Ø. La figura muestra las cargas conectadas.El neutro múltiplemente aterrizado, la tierra, el suelo, une como conductor de retorno para parte de corriente des balanceadas en fallas y en operación.

Enteros 3Ø de 4h múltiplemente aterrizado tienen multiventajas sobre enteros de 3h.

Una fase y el conductor de neutro alimentan cargas monofásicas. El conductor del neutro transporta la corriente des balanceada y provee un aterrizamiento seguro al equipo. El bajo costo para suministrar cargas 1 Ø es la principal razón considerada para el uso de 4 líneas.

Ventajas: Cables individuales para cargas 1 Ø en sistemas bajo tierra (puntas terminales, codos, aisladores

de transformadores). Líneas aéreas 1 Ø son más baratas Se usan trafos de un solo bushing. Un solo pararrayos y un solo fusible para trafos 1 Ø El conductor del neutro puede ser ubicado en la parte inferior del poste Pararrayos de menor capacidad nominal. Se requiere menor aislamiento, el aislamiento respecto a tierra del trafo puede ser gradual.

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El uso extensivo de líneas 1 Ø resulta más barato, el neutro del primario puede ser compartido como neutro del secundario con un ahorro adicional en los costos. La flexibilidad del sistema se incrementa para cuando se requiera convertir una línea de 2 ó 3 fases en líneas aéreas para servir a mayores cargas.

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